JP5137392B2 - 部分的調整剤バイパスのための方法およびシステム - Google Patents

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Description

本発明は、概して、ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムに関し、より具体的には、部分的調整剤バイパスを使用することによるガス化装置の性能改善に関する。
少なくともいくつかの既知のＩＧＣＣシステムは、少なくとも１つの発電タービンシステムと一体化されたガス化システムを含む。例えば、既知のガス化装置は、燃料、空気または酸素、水蒸気、および／または石灰岩の混合物を、「合成ガス」と称されることがある部分酸化ガスの出力に変換する。この合成ガスは、ガスタービンエンジンのコンバスタに供給され、このガスタービンエンジンが、電力網に電力を供給する発電機に動力を与える。少なくともいくつかの既知のガスタービンエンジンからの排気が、熱回収蒸気発生器に供給され、この熱回収蒸気発生器は、蒸気タービンを駆動するための水蒸気を発生する。蒸気タービンによって生成された動力もまた、電力網に電力を提供する発電機を駆動する。
ポンプ輸送可能なスラリ濃度を達成するために、少なくともいくつかの既知のガス化システムでは、ガス化装置に過剰な水調整剤を供給する。過剰な水調整剤は、高水素含有合成ガスが望ましい場合にも使用される。さらに、ガス化装置に再循環されるＣＯ２も、ＩＧＣＣでＣＯ含有率（合成ガス低位発熱量（ＬＨＶ））および炭素転換率を増大するために使用される。
米国特許第５，２５１，４３３号公報 米国特許第５，３４５，７５６号公報 米国特許第６，００４，３７９号公報 米国特許第６，２６９，２８６号公報 米国特許第６，２７４，０３０号公報 米国特許第６，２８２，８８０号公報 米国特許第６，３０３，０８９号公報 米国特許出願公開第２００２／０００４５３３Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００２／００６８７６８Ａ１号公報 米国特許第６，４０９，９１２号公報 米国特許第６，４１６，５６８号公報 米国特許出願公開第２００２／０１２１０９３Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００３／００４１５１８Ａ１号公報 米国特許第６，５３３，９２５号公報 米国特許第６，５５０，２５２号公報 米国特許第６，５８８，２１２号公報 米国特許第６，６１３，１２５号公報
しかし、この過剰な調整剤は、合成ガスをスラグの融点より低い温度に冷却し、その結果、最適な酸素消費量よりも多くの酸素が消費され、合成ガスの生成が低減される恐れがある。
一実施形態では、部分的調整剤バイパスを有するガス化装置は、入口および出口ならびにそれらの間を延びる１次反応領域を含み、燃料ガス、部分酸化のガス状副生成物、および未燃炭素を含む部分酸化生成物の流れを方向付けるように構成された部分酸化反応器と、部分酸化反応器と流体連結され、燃料ガスの濃度を増大させるために調整剤の流れを部分酸化のガス状副生成物および未燃炭素の流れと混合するように構成された２次反応チャンバとを含む。
ここで開示されるガス化装置内で燃料ガスを生成する方法は、流動性スラグ、微粒子状成分およびガス状成分を含む部分酸化生成物が生成されるように、ガス化装置内の燃料を部分酸化する段階を含む。この方法はさらに、部分酸化生成物から流動性スラグと微粒子状成分の一部分とを除去する段階と、調整剤の流れを残りの部分酸化生成物の流れに注入する段階と、微粒子状成分と調整剤の混合物から燃料ガスを生成する段階とを含む。
他の実施形態では、ガス化システムは、燃料ガス、未燃炭素、および二酸化炭素を含む部分酸化生成物を出口通路に向けるように構成された部分酸化反応器を含む圧力容器と、部分酸化生成物から二酸化炭素を回収しその二酸化炭素をガス化装置内に調整剤として注入するように構成された二酸化炭素再循環システムとを含み、この圧力容器はさらに、部分酸化反応器と流体連結され、二酸化炭素の流れを受けるように構成された２次反応チャンバと、２次反応チャンバと流体連絡され、固体の部分酸化生成物をガス状の部分酸化生成物から分離するのを助けるように構成された落下領域とを含む。
図１は、例示的なガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システム５０の概略図である。ＩＧＣＣシステム５０は、一般的に、主空気コンプレッサ５２と、コンプレッサ５２に流体連結された空気分離ユニット５４と、空気分離ユニット５４に流体連結されたガス化装置５６と、ガス化装置５６に流体連結されたガスタービンエンジン１０と、蒸気タービン５８とを含む。動作中に、コンプレッサ５２は、周囲空気を圧縮する。この圧縮された空気は、空気分離ユニット５４に流される。いくつかの実施形態では、コンプレッサ５２に加えてまたはその代わりに、ガスタービンエンジンのコンプレッサ１２からの圧縮空気が、空気分離ユニット５４に供給される。空気分離ユニット５４は、圧縮空気を使用して、ガス化装置５６で使用するための酸素を生成する。より具体的には、空気分離ユニット５４は、圧縮空気を、酸素と、「プロセスガス」と称されることがある副生成物ガスとの別々の流れに分離させる。空気分離ユニット５４によって生成されたプロセスガスは、窒素を含み、本明細書では「窒素プロセスガス」と称される。この窒素プロセスガスは、それだけに限らないが、酸素および／またはアルゴンなど他のガスを含むこともある。例えば、いくつかの実施形態では、この窒素プロセスガスは、約９５％〜約１００％の窒素を含む。この酸素流は、ガス化装置５６に流される。ガス化装置５６は、以下にさらに詳細に説明するようにガスタービンエンジン１０が燃料として使用するための、本明細書では「合成ガス」と称される、部分酸化ガスの生成に使用される。いくつかの既知のＩＧＣＣシステム５０では、窒素プロセスガス流の少なくとも一部、すなわち空気分離ユニット５４の副産物は、大気に排出される。さらに、いくつかの既知のＩＧＣＣシステム５０では、窒素プロセスガス流の一部は、ガスタービンエンジンコンバスタ１４内の１次反応領域（図示せず）に注入されて、エンジン１０の排出物質を制御するのを容易にし、より具体的には、燃焼温度を低下させ、エンジン１０からの亜酸化窒素の排出低減を容易にする。ＩＧＣＣシステム５０は、１次反応領域に注入される前に窒素プロセスガス流を圧縮するためのコンプレッサ６０を含むことができる。
ガス化装置５６は、燃料、空気分離ユニット５４から供給された酸素、水蒸気、および／または石灰岩の混合物を、ガスタービンエンジン１０が燃料として使用するための合成ガスの出力に変換する。ガス化装置５６はどんな燃料も使用することができるが、いくつかの既知のＩＧＣＣシステム５０では、ガス化装置５６は、石炭、石油コークス、残油、油乳濁液、タールサンドおよび／または他の類似の燃料を使用する。いくつかの既知のＩＧＣＣシステム５０では、ガス化装置５６によって生成された合成ガスは、二酸化炭素を含む。ガス化装置５６によって生成された合成ガスは、精製装置６２で精製され、その後ガスタービンエンジンのコンバスタ１４に流され、そこで燃焼される。精製中に二酸化炭素を合成ガスから分離することができ、いくつかの既知のＩＧＣＣシステム５０では、大気に排出する。ガスタービンエンジン１０から出力されたパワーは、電力を電力網（図示せず）に供給する発電機６４を駆動する。ガスタービンエンジン１０からの排気ガスは、熱回収蒸気発生器６６に供給され、この熱回収蒸気発生器は、蒸気タービン５８を駆動するための水蒸気を発生する。蒸気タービン５８によって発生された動力は、電力を電力網に提供する発電機６８を駆動する。いくつかの既知のＩＧＣＣシステム５０では、熱回収蒸気発生器６６からの水蒸気は、合成ガス生成のためにガス化装置５２に供給される。
図２は、（図１に示す）システム５０で使用することができる部分的調整剤バイパス付きガス化装置２００の例示的実施形態の概略図である。この例示的実施形態では、ガス化装置２００は、上側シェル２０２、下側シェル２０４、およびそれらの間を延びるほぼ円筒形の容器本体２０６を含む。燃料流をガス化装置２００に流すために、供給インジェクタ２０８が、上側シェル２０２を貫通している。燃料は、供給インジェクタ２０８の１つまたは複数の通路中を輸送されて、ノズル２１０から出、このノズルによって燃料が所定のパターン２１２でガス化装置２００の１次反応領域２１４に向けられる。燃料を、ノズル２１０に入る前に他の物質と混合してもよく、ノズル２１０から出るときに他の物質と混合してもよい。例えば、燃料を、ノズル２１０に入る前にシステム５０のプロセスから回収された微粉と混合してもよく、ノズル２１０でまたはノズル２１０の下流で、空気または酸素などのオキシダントと混合してもよい。
この例示的実施形態では、１次反応領域２１４は、ノズル２１０と相互に位置合わせされ直列に流体連絡している、垂直方向を向いたほぼ円筒形の空間である。１次反応領域２１４の外周は、Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）パイプ２１８ならびに１次反応領域２１４内に含まれる比較的高い温度および高い圧力の作用に耐えるように構成された耐熱コーティング２２０などの構造基板を備えた耐熱壁２１６によって画定される。耐熱壁２１６の出口端部２２２は、部分酸化生成物および１次反応領域２１４で生成された合成ガスが１次反応領域２１４から排出できるようにしながら１次反応領域２１４内で所定の背圧を維持するように構成された収束形出口ノズル２２４を含む。部分酸化生成物は、ガス状副生成物と、一般的に耐熱コーティング２２０上に形成されるスラグと、未燃炭素と、ガス状副生成物とともに浮遊状態で運ばれる微細粒子とを含む。
１次反応領域２１４を出た後、流動性スラグおよび固体スラグは、重力の作用で底部シェル２０４のロックホッパ２２６内に落下する。ロックホッパ２２６は、水の高さが、流動性スラグを急冷して、ガス化装置２００から除去される際により小さな破片に砕くことができる脆い固体材料にするようになる状態に維持される。ロックホッパ２２６はまた、１次反応領域２１４から出る微細粒子の約９０％を捕集する。
この例示的実施形態では、環状の反応チャンバ２２８が、１次反応領域２１４を少なくとも部分的に取り囲んでいる。２次反応チャンバ２２８は、その内周が耐熱壁２１６によって、またその径方向外周が１次反応領域２１４と同軸に配置された円筒形シェル２３０によって画定される。２次反応チャンバ２２８は、頂部フランジ２３２によって頂部が閉じられている。ガス状副生成物、未燃炭素、および残り１０％の微細粒子は、１次反応領域２１４内では下向き方向２３４に、２次反応チャンバ２２８内では上向き方向２３６に流される。出口ノズル２２４でのこの素早い方向転換は、微細粒子およびスラグのガス状副生成物からの分離に役立つ。
ガス状副生成物、未燃炭素、および残り１０％の微細粒子が２次反応チャンバ２２８内に流されるとき、調整剤の流れが、ガス状副生成物、未燃炭素、および残りの微細粒子に追加される。調整剤は、ＣＯ２および／または水を含むことができ、水は水蒸気の形でもよい。調整剤は、２次反応チャンバ２２８の温度を適度に調整する。調整剤を２次反応チャンバ２２８に入口２６０でスプレーによって追加してもよく、あるいは調整剤の追加を、２次反応チャンバ２２８を通る流れの方向２３６で２次反応チャンバ２２８の長さに沿って段階的に行ってもよい。例えば、調整剤の第１の部分を、第１のヘッダ２６２を通って２次反応チャンバ２２８に追加し、調整剤の第２の部分を、第１のヘッダ２６２から下流に離隔された第２のヘッダ２６４を通って追加してもよい。様々な実施形態では、ガス化装置２００内の異なる動作状況に対応するために調整剤の段階的な導入のための様々な組合せが可能になるように、２つより多くのヘッダが２次反応チャンバ２２８内に間隔をあけて配置される。例示的実施形態では、調整剤内のＣＯ２は、２次反応チャンバ２２８内の未燃炭素と化合して吸熱反応でＣＯを形成し、この吸熱反応が２次反応チャンバ２２８内の熱エネルギーの一部分を生成されたＣＯの化学エネルギーに転換する。例えば、ガス状副生成物、未燃炭素および残りの微細粒子は、部分酸化反応器２１４から２次反応チャンバ２２８に 約１３７０℃で入り、約９８０℃で２次反応チャンバ２２８から出る。調整剤中のＣＯ２を、ガス化装置から出る合成ガスから回収してもよく、システム５０内の他のプロセスから再循環してもよい。
ガス状副生成物および残り１０％の微細粒子は、２次反応チャンバ２２８を通り第１通路の出口２３８へと上方向に輸送される。２次反応チャンバ２２８中でのガス状副生成物の輸送中に、ガス状副生成物および微細粒子から熱を回収することができる。例えば、ガス状副生成物は、約１３７０℃の温度で２次反応チャンバ２２８に入り、２次反応チャンバ２２８を出るときには、ガス状副生成物の温度は約９８０℃である。ガス状副生成物および微細粒子は、第１通路の出口２３８から２次反応チャンバ２２８を出て第２の環状通路２４０に入り、その際にガス状副生成物および微細粒子が下流方向に方向転換される。ガス状副生成物および微細粒子の流れが第２の通路２４０中を輸送されるとき、例えば過熱チューブ２４２を使用して、ガス状副生成物および微細粒子の流れから熱を回収することができる。この過熱チューブは、ガス状副生成物および微細粒子の流れから熱を取り出し、その熱を過熱チューブ２４２の内側通路中を通る水蒸気流に伝達する。例えば、ガス状副生成物は、約９８０℃の温度で第２の通路２４０に入り、約８２０℃の温度で第２の通路２４０から出る。ガス状副生成物および微細粒子の流れが、底部シェル２０４に隣接する第２の通路２４０の下端部２４４に到達するところで、第２の通路２４０は、ロックホッパ２２６に向かって収束する。下端部２４４で、ガス状副生成物および微細粒子の流れは、水スプレー２４６を通って上向き方向にされ、この水スプレーは、ガス状副生成物および微細粒子の流れを脱過熱する。ガス状副生成物および微細粒子の流れから回収された熱は、水スプレー２４６からの水を蒸発させ微細粒子を塊状にして、微細粒子が、下側シェル２０４に落下する比較的大きな灰の塊を形成するようにするのに役立つ。ガス状副生成物および残りの微細粒子の流れは、逆方向に導かれ、下端部２４４に外接する環状トレイを形成する有孔プレート２４８の下面に向けられる。水の高さは、ガス状副生成物の流れからさらに微細粒子を除去するための接触媒体を提供するために、有孔プレート４４８より高く維持される。ガス状副生成物および残りの微細粒子の流れが、有孔プレート４４８の孔を通ってろ過されるとき、微細粒子は、水と接触し水浴中で捕捉され、下方に運ばれて、孔を通って底部シェル２０４の水だめに入る。ロックホッパ２２６の底部と底部シェル２０４の底部の間の隙間２５０により、微細粒子がロックホッパ２２６を通って流れることが可能になり、そこで、微細粒子がガス化装置２００から除去される。
同伴粒子分離装置（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ ｓｅｐａｒａｔｏｒ）２５４が、有孔プレート２４８より上で、有孔プレート２４８より上の水面より上の下側シェル２０４の上端部を一周している。同伴粒子分離装置２５４は、例えば、ガス状副生成物および残りの微細粒子に旋回運動を付与する接線方向の入口または回転羽根を備えたサイクロン式分離機または遠心分離機でよい。微粒子は、遠心力によって外側に飛ばされて分離機の壁面に達し、そこで微細粒子が合体し底部シェル２０４の分離機の壁面に沿って落下する。さらに、ワイヤ網を使用してメッシュパッドを形成し、残りの微細粒子がメッシュパッド表面に衝突し、互いに凝集し、水スプレーの助けで重力によって底部シェル２０４へ排出されるようにすることができる。さらに、同伴粒子分離装置は、山形（ｃｈｅｖｒｏｎ）分離機や衝突分離機などブレード式のものでよい。山形分離機では、ガス状副生成物は、ブレードの間を通りジグザグのパターンで移動させられる。同伴される微粒子および液滴は、気体の流線に追従することはできず、そのためそれらはブレード表面に衝突し、合体し、底部シェル２０４に沿って落下する。ブレードの両面にフックやポケットなどの特別な機構（ｆｅａｔｕｒｅ）を加え、微粒子および液滴の捕獲の改善を促進することができる。山形の格子を互いに積み重ねてまたは角度を付けて積み重ねて、一連の分離段を提供することができる。ガス状副生成物および微細粒子が、カーブしたブレード上を通るとき、衝突分離機は、サイクロン運動を生み出し、それにより旋回運動を付与し、それによって同伴される微粒子および液滴が容器の壁面に向けられ、そこで、同伴された微粒子と、液滴があればその液滴も捕集され、底部シェル２０４に向けられる。
ガス状副生成物と、残りの微細粒子があればその微細粒子の流れは、分離機２５４に入り、そこで同伴された残りの微粒子および液滴があればその液滴のほぼ全てが、ガス状副生成物の流れから除去される。ガス状副生成物の流れは、さらなる処理のために出口２５６を通ってガス化装置から出る。
図３は、ガス化装置中で燃料ガスを生成する例示的方法３００のフローチャートである。この方法は、ガス化装置中の燃料を部分酸化して、流動性スラグ、微粒子状成分およびガス状成分を含む部分酸化生成物の流れを生成する段階３０２を含む。この例示的実施形態における燃料は一般的に、例えば石炭スラリまたは油など、スラリや液体の形の炭素質燃料である。燃料が部分酸化反応器内に注入され、不完全燃焼して未燃炭素を形成する。燃料中の鉱物質は、流動性スラグを形成し、このスラグは、一般的に部分酸化反応器の壁面上に凝集し部分酸化反応器の底部出口から流出する。部分酸化生成物の微粒子成分は、ガス状成分と一緒に運ばれて部分酸化反応器から出て落下領域に入る。流動性スラグと、微粒子状成分の一部は、落下領域中で部分酸化生成物から取り除かれる（３０４）。部分酸化の残りの生成物の流れに調整剤の流れが注入され（３０６）、微粒子状成分と調整剤の混合物から燃料ガスが生成される（３０８）。例示的実施形態では、調整剤は、ＣＯ２および／または水蒸気を含み、微粒子状成分は、未燃炭素を含む。ＣＯ２および未燃炭素は、化合して燃料ガスの１つの形であるＣＯを形成する。
以上、ガス化装置システムおよびガス化装置中で燃料ガスを生成する方法の例示的実施形態について詳細に述べた。図示のガス化システムの諸構成要素は、本明細書で説明した特定の実施形態のみには限定されず、各システムの構成要素を、それぞれ独立に、本明細書で説明した他の構成要素とは別に利用することができる。例えば、上述のガス化システム構成要素を、異なるＩＧＣＣシステム構成要素と組み合わせて使用することができる。
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、特許請求の範囲の精神および範囲内で修正を加えて本発明を実施できることを当業者は理解するであろう。
例示的な既知のガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムの概略図である。 図１に示すシステムで使用することができる、部分的調整剤バイパス付きガス化装置の例示的な実施形態の概略図である。 ガス化装置内で燃料ガスを生成する例示的な方法のフローチャートである。
符号の説明
１０ ガスタービンエンジン
１２ ガスタービンエンジンのコンプレッサ
１４ ガスタービンエンジンのコンバスタ
５０ ＩＧＣＣシステム
５２ 主空気コンプレッサ
５４ 空気分離ユニット
５６ ガス化装置
５８ 蒸気タービン
６０ コンプレッサ
６２ 精製装置
６４ 発電機
６６ 熱回収蒸気発生器
６８ 発電機
２００ ガス化装置
２０２ 上側シェル
２０４ 下側シェル
２０６ 容器本体
２０８ 供給インジェクタ
２１０ ノズル
２１２ 所定のパターン
２１４ １次反応領域
２１６ 耐熱壁
２１８ Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）パイプ
２２０ 耐熱コーティング
２２２ 出口端部
２２４ 出口ノズル
２２６ ロックホッパ
２２８ ２次反応チャンバ
２３０ 円筒形シェル
２３２ トップフランジ
２３４ 下向き方向
２３６ 上向き方向
２３８ 第１通路の出口
２４０ 第２通路
２４２ 過熱チューブ
２４４ 下端部
２４６ 水スプレー
２４８ 有孔プレート
２５０ 隙間
２５４ 同伴粒子分離装置
２５６ 出口
２６０ 入口
２６２ 第１のヘッダ
２６４ 第２のヘッダ
３００ 方法
３０２ 酸化段階
３０４ 除去段階
３０６ 注入段階
３０８ 生成段階

Claims (7)

  1. 燃料ガス、未燃炭素、および二酸化炭素を含む部分酸化生成物を出口通路（２３８）に向けるように構成された部分酸化反応器を備える圧力容器と、
    前記部分酸化生成物から二酸化炭素を回収し前記二酸化炭素を前記圧力容器内に調整剤として注入するように構成された二酸化炭素再循環システムとを備え、
    前記圧力容器はさらに、
    前記部分酸化反応器と流体連結され、前記部分酸化反応器から排出された部分酸化生成物の流れを受けるように構成され、前記部分酸化反応器の周りに配置された２次反応チャンバ（２２８）と、
    前記２次反応チャンバ（２２８）内に調整剤の流れを向けるように前記二酸化炭素再循環システムと流体連結された調整剤注入ヘッダと、
    前記２次反応チャンバと流体連絡され、固体の部分酸化生成物をガス状の部分酸化生成物から分離するのを容易にするように構成された落下領域とを備えるガス化システム（５０）。
  2. 前記調整剤注入ヘッダ（２６２）が前記２次反応チャンバ（２２８）の周りを少なくとも部分的に延び、前記調整剤注入ヘッダが、調整剤と部分酸化生成物が混合されるのを容易にするように調整剤の流れを方向付けるように構成される、請求項１記載のシステム（５０）。
  3. 前記２次反応チャンバ（２２８）はさらに、前記落下領域から未燃炭素の流れを受けて、前記未燃炭素の一部と二酸化炭素が反応して一酸化炭素を形成するように構成される、請求項１または２に記載のシステム（５０）。
  4. 前記調整剤が水を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム（５０）。
  5. 前記２次反応チャンバ（２２８）はさらに、前記落下領域から未燃炭素の流れを受けて、前記未燃炭素の一部と二酸化炭素が反応して前記２次反応チャンバ（２２８）の温度を低下させるように構成される、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム（５０）。
  6. 前記２次反応チャンバ（２２８）は、前記部分酸化生成物の温度を低下させるように構成される、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム（５０）。
  7. 前記２次反応チャンバ（２２８）は、前記部分酸化生成物の温度を約１３７０度から約９８０度に低下させるように構成される、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム（５０）。
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