JP5268471B2

JP5268471B2 - ポリジェネレーションシステム

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Publication number: JP5268471B2
Application number: JP2008190407A
Authority: JP
Inventors: ウェイ・ウェイ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: US20090084035A1; CN101397122A; CH697901A2; DE102008002963A1; JP2009085210A; CN101397122B; CH697901B1

Description

本発明は、一般に、ポリジェネレーションシステムに関し、より具体的には、ポリジェネレーションシステムの種々のユニットを統合して望ましくない化学物質を効果的に分離することに関する。

本発明は、エネルギー省により授与された契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２４５１号に基づき政府支援を得て為された。連邦政府は本発明において一定の権利を保有する。

工業化が環境に対して及ぼす影響は、これまでの多くの科学的考察のテーマであり、最近の議論は、地球温暖化に対する温室効果ガスの影響に集中している。発電及び大規模な化学工業は、とりわけ全体の温室効果ガス排出の原因の１つである。これらは、自動車などの多くの発生源からの排出が分散性であるのに比べ、単一ポイントの排出源である。発電などの単一ポイントの発生源からの温室効果ガス排出を抑えることは、全体の温室効果ガス排出を低減する上で望ましいことである。

温室効果ガス排出、特に発電プラント並びに化学工業からの二酸化炭素を低減する種々の技術が開発されている。燃焼前及び燃焼後の両方の二酸化炭素の取り込みは、最近になって熱心な研究の的である。発電又は化学物質の製造を環境に優しいプロセスにするためには、場合によっては環境に放出されることになる二酸化炭素を含む、全ての望ましくない化学物質を分離することが重要である。望ましくない化学物質を分離することにより、電力又は化学物質の製造コスト全体が増加し、従って、これらの望ましくない化学物質の効率的な取り込みを可能にする技術が求められる。
米国特許第４，７９９，３５６号公報米国特許第６，０９３，３０６号公報米国特許第６，８２４，５７５号公報米国特許出願公開第２００７／０１３０８３２号公報

第１の態様によれば、合成ガスを生成する合成ガス生成器と、合成ガスから望ましくない化学物質を分離して濃縮合成ガスを生成する合成ガス濃縮ユニットと、濃縮合成ガスを利用して、有用な製品と、合成ガス濃縮ユニットにおいて望ましくない化学物質の分離を促進するストリームとを生成する合成ガス利用システムとを含むポリジェネレーションシステムが提供される。幾つかの実施形態において、ポリジェネレーションシステムは、ガス化装置、粒子状物質除去ユニット、水性ガスシフトユニット、及び発電ユニットを含む。

別の態様において、ポリジェネレーションシステムは、合成ガスを生成する合成ガス生成器と、合成ガスから望ましくない化学物質を分離して濃縮合成ガスを生成する合成ガス濃縮ユニットと、濃縮合成ガスを燃焼させて高温膨張ガスを生成するガスタービンシステムを有する発電ユニットとを含む。高温膨張ガスは、蒸気発生システムにおいて蒸気の第１の部分を生成するのに使用される。発電システムは、蒸気発生システムからの蒸気の第１の部分を用いて、電力と蒸気の第２の部分とを生成する蒸気タービンシステムを有する。

更に別の態様において、ポリジェネレーションシステムは、合成ガスを生成する合成ガス生成器と、合成ガスから望ましくない化学物質を分離して濃縮合成ガスと望ましくない化学物質を含む流体ストリームとを生成する合成ガス濃縮ユニットとを含む。ポリジェネレーションシステムは、濃縮合成ガスと高温膨張ガスとを燃焼させるガスタービンシステムを有する発電ユニットを含む。高温膨張ガスは、蒸気発生システムにおいて蒸気の第１の部分を生成するのに使用される。発電システムは、蒸気の第１の部分と、合成ガス濃縮ユニットからの望ましくない化学物質を含む流体ストリームとを用いて、電力と、蒸気の第２の部分とを生成するランキンタービンを含む。蒸気の第２の部分は、合成ガス濃縮ユニットにおいて望ましくない化学物質の分離を促進するのに使用される。

更に別の態様において、ポリジェネレーションシステムは、合成ガスを生成する合成ガス生成器と、水性ガスシフトユニット及び分離ユニットを有する合成ガス濃縮ユニットとを含む。水性ガスシフトユニットは、合成ガスを受け取り、水素濃縮合成ガスを生成する。水素濃縮合成ガスから望ましくない化学物質が分離されて、濃縮合成ガスと、望ましくない化学物質を含む流体ストリームとを生成する。ポリジェネレーションシステムは、ガスタービンシステム、蒸気発生システム、及びランキンタービンシステムを有する発電ユニットを含む。濃縮合成ガスがガスタービンシステムにおいて燃焼されて電力と高温膨張ガスとを生成する。高温膨張ガスは蒸気発生システムにより受け取られ、蒸気の第１の部分と第２の部分とを生成する。蒸気の第１の部分と望ましくない化学物質を含む流体ストリームとがランキンタービンシステムにより受け取られ、電力と蒸気の第３の部分とを生成する。蒸気の第３の部分は分離ユニットに提供され、望ましくない化学物質の分離を促進する。

更に別の態様において、ポリジェネレーションシステムは、空気分離ユニットと、合成ガス生成器と、合成ガス濃縮ユニットと、触媒バーナーと、発電ユニットとを備える。空気分離ユニットにおいて酸素リッチストリームが生成され、合成ガス生成器に送られる。合成ガス生成器は、炭素質燃料及び酸素リッチストリームを受け取り合成ガスを生成するよう構成されたガス化装置を含む。合成ガス生成器は更に、合成ガスを受け取って冷却合成ガスを生成する冷却ユニットを含む。合成ガス濃縮ユニットは、粒子状物質除去ユニットと、合成ガススイートニングユニットと、水性ガスシフト反応器と、分離油ニッチとを備える。粒子状物質除去ユニットにより冷却合成ガスが受け取られて粒子状物質のない合成ガスを生成し、これが合成ガススイートニングユニットにより受け取られてスイート合成ガスを生成する。水性ガスシフトユニットは、スイート合成ガス及び蒸気の第１の部分を受け取り、水素濃縮合成ガスと蒸気の第１の部分とを生成するよう構成されている。分離ユニットは、水素濃縮合成ガスを受け取り、濃縮合成ガスと、望ましくない化学物質を含む流体ストリームとを生成するよう構成される。望ましくない化学物質を含む流体ストリームは触媒バーナーに送られ、不燃性ストリームを生成する。発電ユニットは、ガスタービンシステム、蒸気発生システム、及びランキンタービンシステムを備える。ガスタービンは、濃縮合成ガスを受け取り、電力と高温膨張ガスとを生成するよう構成され、該高温膨張ガスが蒸気発生システムによって受け取られて、蒸気の第１の部分と蒸気の第２の部分とを生成する。ランキンタービンシステムは、蒸気の第２の部分と不燃性流体ストリームとを受け取り、電力と蒸気の第３の部分とを生成し、該蒸気の第３の部分が分離ユニットに送られて、望ましくない化学物質の分離を促進する。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めばより理解されるであろう。図面全体を通して、同じ符号は同じ要素を示す。

ポリジェネレーションシステム１０は、図１に示すように、合成ガス発生器４と、合成ガス濃縮ユニット８、及び合成ガス利用システム１８を含む。炭素燃料２は、合成ガス発生器４において合成ガス６に転化され、通常合成ガスは、水素及び一酸化炭素を含む。合成ガス６は、合成ガス濃縮ユニット８内で濃縮されて、濃縮合成ガス１４を生成する。濃縮合成ガス１４は、合成ガス利用システム１８で使用され、有用な製品２２を製造する。合成ガス利用システム１８からの流体ストリーム１６は、合成ガス濃縮ユニット８内の合成ガス濃縮を促進して、合成ガス６から濃縮合成ガス１４を生成するのに使用される。

炭素ガス２は、例えば、石炭、石油、天然ガス、バイオマス、都市廃棄物、又は他のいずれかの炭素材料を含む。炭素燃料２は、限定ではないが、ガス化、部分酸化、改質、及び自動熱改質を含む、従来の方法によって合成ガス発生器４内の合成ガス６に転化される。１つの実施形態において、合成ガス発生器４は、リアクタユニットを備え、例えば、リフォーマ、部分酸化（ＰＯＸ）リアクタ、自動サーマルリアクタ、及びガス化装置を含む。１つの実施形態において、合成ガス発生器４は更に、合成ガス６の冷却を行うことを含むことができる。別の実施形態において、合成ガス発生器４における未反応炭素燃料は、リサイクルして戻され（図１には図示していない）、炭素燃料２と混合されることになる。

合成ガス濃縮ユニット８では、合成ガス６が濃縮されて濃縮合成ガス１４を生成する。合成ガス６の濃縮は通常、合成ガス６中の水素及び／又は一酸化炭素の濃度を高めることにより達成される。合成ガス６は、合成ガス濃縮ユニット８内の合成ガス６から分離することができる幾つかの望ましくない化学物質を含むことができる。１つの実施形態において、合成ガス６の濃縮は、望ましくない化学物質を分離することにより行われる。望ましくない化学物質には、限定ではないが、粒子状物質、硫黄化合物、炭素化合物、塩素化合物、窒素化合物、水、水銀、及びアンモニアが含まれる。望ましくない化学物質の一部は、炭素燃料２に由来し、他の化学物質は、合成ガス発生器４において生成された。１つの実施形態において、合成ガス濃縮ユニット８は、望ましくない化学物質を含む廃棄流れを生成するよう構成される。１つの実施形態において、合成ガス濃縮ユニット８内に望ましくない化学物質の少なくとも一部を分離することにより、合成ガス６中の水素及び／又は一酸化炭素濃度が高くなる。

１つの実施形態では、合成ガス６中の水素濃度は、水又はストリームとの合成ガス６の反応によって高くなり、これは一般に水性ガスシフト反応として知られている。水性ガスシフト反応は、無機化学反応であり、水と一酸化炭素が反応して、二酸化炭素と水素を形成し、これは以下で表される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２
１つの実施形態では、合成ガス６から水素の少なくとも一部を除去することにより、一酸化炭素濃度が高くなる。別の実施形態において、合成ガス６中の一酸化炭素濃度は、二酸化炭素と炭素が反応して二酸化炭素を形成することにより高くなり、これは一般に逆ブドワー反応として知られており、以下で表される。
ＣＯ_２＋Ｃ→２ＣＯ
合成ガス利用システム１８は、例えば、電力及び化学物質を含む、有用な製品２２を製造するユニットである。合成ガス利用システム１８は、濃縮合成ガス１４を受取り、流体ストリーム１６を生成するように構成される。１つの実施形態において、流体ストリーム１６は、合成ガス濃縮に必要とされる熱を与えることによって合成ガス濃縮を可能にする。別の実施形態において、流体ストリーム１６は、合成ガス濃縮の蒸気要件を定める。本発明のポリジェネレーションシステム２０が図２に示されている例示的なポリジェネレーションシステム２０は、合成ガス発生器４、合成ガス濃縮ユニット８、及び合成ガス利用システム１８を含む。１つの実施形態において、合成ガス利用システム１８は、化学物質を製造する化学合成ユニット２４、又は電力を発生する発電ユニット３２、或いはこれらの両方を含む。１つの実施形態において、図２に示すように、合成ガス利用システム１８は、化学合成ユニット２４及び発電ユニット３２の両方を含む。

化学合成ユニット２４は、合成ガス濃縮ユニット８から濃縮合成ガス１４の一部を受け取り、水素、アンモニア、ジメチルエーテル、メタノール、又は液化炭化水素を含む、化学物質を生成するよう構成される。１つの実施形態において、化学合成ユニット２４は、フィッシャー・トロプシュ法を利用して、限定ではないが、ガソリン及びディーゼルなどの炭化水素を生成する。発電ユニット３２は、燃料源として濃縮合成ガス１４の一部を受け取り電力を発生するよう構成されている。１つの実施形態において、発電ユニット３２は、複合サイクル発電プラントである。典型的な複合サイクル発電プラントには、ガスタービンプラント、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）及び蒸気タービンプラントがある。ガスタービンプラントでは、燃料が燃焼して加圧燃焼ガスを生成し、これを膨張させて出力を発生し、更に、膨張した高温ガスがガスタービンからＨＲＳＧに送られて高圧蒸気を生成し、蒸気タービンプラントにおいて膨張されて更に出力を生成するようになる。複合サイクル発電プラントにおいて濃縮合成ガス１４を燃料源として用いると、燃料の燃焼がクリーンで効率的であること、大気への排出がクリーンであること、二酸化炭素を含有する温室効果ガスの取り込みが効率的であることを含む、多くの利点がある。１つの実施形態において、発電ユニット３２は、濃縮合成ガス１４を燃料源として用いた単純サイクルガスタービンプラントである。別の実施形態において、発電プラント３２は、ボイラー内で濃縮合成ガス１４を単一の燃料源として又は他の燃料と組み合わせて用いて、蒸気タービンを動作させる高圧蒸気を生成する蒸気タービンプラントである。濃縮合成ガス１４と共に用いることができる他の燃料には、限定ではないが、石炭、バイオマス、石油、及び天然ガスがある。

上記の実施形態において説明したように、合成ガス利用システム１８からの流体ストリーム１６は、合成ガス濃縮ユニット８において合成ガス６の濃縮を促進する。１つの実施形態において、流体ストリーム１６は、化学合成ユニット２４からの不活性ガスストリームである。別の実施形態において、流体ストリーム１６はＨＲＳＧで生成されたストリームである。更に別の実施形態において、流体ストリーム１６は、蒸気タービンにおいて部分的に膨張された蒸気である。

本発明のポリジェネレーションシステム３０が図３に示されている。例示的なポリジェネレーションシステム１０において、発電ユニット３２は、ガスタービン３４、蒸気発生器３６、及び蒸気タービン３８を含む。発電ユニット３２は、電力４２及びクリーン排気４４を生成する。クリーン排気４４は、従来の微粉炭発電プラントからの排出と比較してより少ない排出物濃度を有する。排出物には、限定ではないが、窒素化合物、硫黄化合物、塩素化合物、水銀、アンモニア、及び二酸化炭素が含まれる。ガスタービン３４は、空気などのストリームを含む酸素（酸化剤）を圧縮するための圧縮機と、加圧された酸化剤と燃料を燃焼させて加圧燃焼ガスを生成する燃焼器（図３には示していない）とを含む。１つの実施形態において、濃縮合成ガス１４は、ガスタービン３４の燃焼器の燃料として使用される。ガスタービン３４は、加圧燃焼ガスを膨張させる膨張器を含み、該膨張器は、発電機（図示せず）に結合され、電力４２及び高温の膨張ガス４６を生成する。ガスタービン３４からの高温膨張ガス４６は、蒸気発生器３６に送られ、膨張ガス４６の熱含量を用いて高圧蒸気４８が生成される。蒸気発生器３６で生成される高圧蒸気４８は、蒸気タービン３８内で膨張され電力４２を生成する。

１つの実施形態において、ガスタービン３４及び蒸気タービン３８は同じ発電機に結合される。１つの実施形態において、蒸気タービン３８は再熱タービン３８であり、ここでは蒸気流量は、高圧セクションから取られ、蒸気発生器３６において追加の熱を付加した後に中圧セクションに戻され、これにより正味の電力出力が増大する。１つの実施形態において、部分的に膨張された流体ストリームが蒸気タービン３８から取り出され、合成ガス６から望ましくない化学物質の分離を促進して濃縮合成ガス１４を生成するのに合成ガス濃縮ユニット８で使用される。

合成ガス６からの望ましくない化学物質の分離は、物理的及び化学的分離技術を含む好適な技術により行われる。１つの実施形態において、合成ガス６中の粒子状物質は、合成ガス６を水で洗浄することにより分離される。別の実施形態において、硫黄化合物を含む望ましくない化学物質の一部は、合成ガス６をアミン溶液でこすり洗いすることにより合成ガス６から分離される。更に別の実施形態において、硫黄化合物及び炭素化合物を含む望ましくない化学物質の一部は、溶剤を利用する吸収法を用いて分離される。

１つの実施形態では、望ましくない化学物質を合成ガス６から分離するために膜分離法が用いられる。膜分離法における駆動力には、圧力、及び／又は膜内外の濃度差が含まれる。単純な膜分離法では、供給流が膜の一方側で供給され、膜は異なる化学物質に対して異なる透過性を有し、従って化学物質の分離が達成される。透過性は、単位時間における膜の単位面積当たりの膜を横断する化学物質のモル流量として定義される。キャリアストリームは、通常、膜を通って透過する化学物質を保持するのに利用され、これにより分離効率が高くなる。キャリアストリームの特性は、このキャリアストリームからの透過化学物質の分離を単純な方法によって行うことができるようにするものである。１つの実施形態において、流体ストリーム２８は、合成ガス６から望ましくない化学物質を分離するためのキャリアとして使用される。

１つの実施形態において、合成ガス濃縮ユニット８において分離される望ましくない化学物質は二酸化炭素であり、この分離を行うために、二酸化炭素に対して高い透過性を有する膜が使用される。単純な凝縮方法によって二酸化炭素のストリームからの分離を容易に行うことができるので、ストリームは二酸化炭素の好ましいキャリアである。１つの実施形態において、流体ストリーム２８は、膜の他方の側に透過される二酸化炭素を効率的に保持するためのキャリアとして使用される。

本発明のポリジェネレーションシステム４０が図４に示されている。例示的なポリジェネレーションシステム４０では、発電ユニット３２はランキンタービン５２を含む。１つの実施形態において、合成ガス濃縮ユニット８は、望ましくない化学物質の第１の部分を含有する廃棄ストリーム１２と、望ましくない化学物質の第２の部分を含有する流体ストリーム５４とを生成するよう構成される。１つの実施形態において、流体ストリーム５４は、高圧ストリーム４８と共にランキンタービン５２の作動流体として使用される。高圧ストリーム４８に加えて、ランキンタービン５２の作動流体として流体ストリーム５４が使用されると、ランキンタービン５２からの電力出力が増大する。ランキンタービン５２の作動流体は、蒸気、二酸化炭素、窒素、又はこれらの組み合わせを含むことができる。１つの実施形態において、ランキンタービン５２は、合成ガス濃縮ユニット８に送られて合成ガス濃縮を促進する流体ストリーム５６を生成するように構成されている。

１つの実施形態において、合成ガス濃縮ユニット８における合成ガス濃縮には水性ガスシフト反応が使用され、流体ストリーム５６は、水性ガスシフト反応に必要とされるストリームを提供するのに使用される。１つの実施形態において、合成ガス濃縮ユニット８において望ましくない化学物質を分離するのに溶剤が利用され、該溶剤の生成に必要な熱を提供するために流体ストリーム５６が使用される。別の実施形態において、合成ガス濃縮ユニット８における望ましくない化学物質の分離において膜分離法が使用され、流体ストリーム５６は、膜を横断して透過する望ましくない化学物質のキャリアとして使用される。１つの実施形態において、望ましくない化学物質の第１の部分は、図４において破線で示された合成ガス濃縮ユニット８の廃棄ストリーム１２として分離される。望ましくない化学物質の第２の部分を保持する流体ストリーム５４は、ランキンタービン５２において膨張され、望ましくない化学物質の第２の部分は、発電ユニット３２からの流体ストリーム１３として分離される。１つの実施形態において、望ましくない化学物質は、合成ガス濃縮ユニット８から廃棄ストリーム１２として分離され、又は発電ユニット３２から流体ストリーム１３として分離され、或いはその両方で分離される。

本発明のポリジェネレーションシステム５０が図５に示されている。例示的なポリジェネレーションシステム５０は、化学合成ユニット２４を含む。１つの実施形態において、濃縮合成ガス１４の第１の部分が化学合成ユニット２４に送られる。別の実施形態において、濃縮合成ガス１４の第２の部分が発電ユニット３２のガスタービン３４に送られる。化学物質及び電力の複合生成は、これら２つのプロセスを統合して電力及び化学物質の両方を効率的且つ経済的に生成する機会をもたらす。

本発明のポリジェネレーションシステム６０が図６に示される。例示的なポリジェネレーションシステム６０は空気分離ユニット（ＡＳＵ）６２を含む。１つの実施形態において、空気５８は、空気分離ユニット６２において、酸素リッチストリーム７４と酸素希薄ストリーム６８とに分離される。本明細書全体を通して、化学物質が生成される流体ストリームの濃度よりも該化学物質の濃度がより高い場合に、流体ストリームは化学物質中でリッチであるといわれる。他方、化学物質が生成される流体ストリームの濃度よりも該化学物質の濃度がより低い場合に、流体ストリームは化学物質中で希薄であるといわれる。

１つの実施形態において、酸素リッチストリーム７４は、合成ガス生成器４に送られる。空気５８の代わりに酸素リッチストリーム７４を用いた合成ガス６の生成には、合成ガス生成器４の容積が小さくなる利点がある。酸素リッチストリームを用いる別の利点は、生成される合成ガスの発熱量が大きくなることである。別の実施例では、流体ストリーム５６の第１の部分６６は、空気分離ユニット６２における空気分離を促進するのに用いられ、流体ストリーム５６の第２の部分は、合成ガス濃縮を促進するのに用いられる。１つの実施形態において、空気分離ユニット６２では膜分離法が利用され、流体ストリーム６６は、膜を横断して透過する化学物質のキャリアとして使用される。１つの実施形態において、膜は酸素を透過することができる。ＡＳＵ６２からの酸素希薄ストリーム６８が合成ガス濃縮ユニット８から生じた流体ストリーム５４と混合されて混合ストリーム７２を形成し、これがランキンタービン５２に送られる。混合ストリーム７２を形成するために酸素希薄ストリーム６８を流体ストリーム５４に付加することにより、ランキンタービン５２への質量流量が増大し、これにより正味電力出力が増大する。混合ストリーム７２と蒸気発生器３６からの高圧蒸気４８とがランキンタービン５２での作動流体として使用される。１つの実施形態において、酸素希薄ストリーム６８の一部は、発電効率を向上させるために、図６に破線で示された冷却剤としてガスタービン３４に送られる。本明細書全体を通して、破線は任意選択の実施形態を示している。別の実施形態において、ガスタービンユニット３４の圧縮機は、空気分離ユニット６２（図６には図示していない）の空気５８を圧縮するのに使用される。

本発明のポリジェネレーションシステム７０が図７に示されている。例示的なポリジェネレーションシステム７０は、水性ガスシフト（ＷＧＳ）ユニット７６及び分離ユニット７８を含む。１つの実施形態において、合成ガス生成器４からの合成ガス６は水性ガスシフトユニット７６に送られ、ここで水性ガスシフト反応が生じて水素を多く含む水素濃縮合成ガス８８を生成する。１つの実施形態において、水素濃縮合成ガス８８が分離ユニット７８に送られ、望ましくない化学物質の一部を保持する流体ストリーム８２を生成する。１つの実施形態において、望ましくない化学物質を分離するための複数の分離ユニット７８が利用される。１つの実施形態において、分離ユニット７８は膜分離器である。１つの実施形態において、分離ユニット７８からの望ましくない化学物質の一部を含む流体ストリーム８２は、作動流体としてランキンタービン５２に送られる。流体ストリーム５６は、ポリジェネレーションシステムの全体効率を最大にするような適切な圧力及び温度条件でランキンタービンから引き出される。１つの実施形態において、流体ストリーム５６は、水性ガスシフトユニット７６の動作圧力及び温度で引き出される。別の実施形態において、流体ストリーム５６は、分離ユニット７８の動作条件でランキンタービン５２から引き出される。更に別の実施形態において、流体ストリーム８２は、水素が希薄であり、流体ストリーム５６の一部を含む。

ＷＧＳユニット７６は、触媒又は非触媒反応ユニットとすることができる。ＷＧＳユニット７６で使用される一部の触媒は、限定ではないが、鉄、クロム、銅、亜鉛、コバルト、及びモリブデンの酸化物を含む。ＷＧＳユニット７６は、硫黄化合物を含む酸性の合成ガス、又は硫黄化合物が欠如しているスイート合成ガスのいずれかを用いることができる。欠如しているとは、化学物質が存在しないことではなく、その化学物質の濃度が少ないものと理解されたい。水性ガスシフト反応は発熱反応であり、従って熱を発生する。１つの実施形態において、水性ガスシフト反応で生成された熱は、ＷＧＳユニット７６から除去される。

本発明のポリジェネレーションシステム８０が図８に示されている。高圧ストリーム４８は２つのストリーム、すなわち第１の部分９２と第２の部分９４とに分割される。１つの実施形態において、高圧流体ストリーム９２は、ＷＧＳユニット７６において水性ガスシフト反応に必要な蒸気を提供し、これにより高圧でのＷＧＳユニット７６の動作が可能になる。高圧でＷＧＳユニット７６を動作させると、必要となる水性ガスシフトユニット７６の容積が小さいので有利である。合成ガス発生器４が高圧で動作する１つの実施形態において、ＷＧＳユニット７６を高圧で動作させることにより、システム全体の効率が改善される。別の実施形態において、ランキンタービン５２は、高圧で流体ストリーム９４を受けるように構成され、この流体ストリーム９４は部分的に膨張され、流体ストリーム９４よりも低い圧力で流体ストリーム５６を生成する。１つの実施形態において、ランキンタービン５２から引き出された流体ストリーム５６は、分離ユニット７８に送られ、水素濃縮合成ガス８８から濃縮合成ガス１４の生成を促進する。ＷＧＳユニット７６における水性ガスシフト反応に高圧ストリーム９４を使用し、分離ユニットに低圧ストリーム５６を用いることは、圧力駆動膜分離法を利用するときに特に有利である。

本発明のポリジェネレーションシステム９０が図９に示されている。例示的なポリジェネレーションシステム９０は、分離ユニット７８から流体ストリーム８２を受け取るように構成された触媒バーナー９６を含む。１つの実施形態において、分離ユニット７８からの流体ストリーム８２は、触媒バーナー９６で燃焼される水素又は一酸化炭素を含む。分離ユニット７８において膜分離法が使用されると、水素及び一酸化炭素の一部の量は、分離ユニット７８で分離された望ましくない化学物質と共に膜を横断して透過し、従って、作動流体としてランキンタービン５２に送られる流体ストリーム８２の一部になる。ランキンタービン５２において作動流体として使用される水素及び／又は一酸化炭素の流体ストリーム中の濃度を制限することは、少なくとも２つの理由から望ましい。１つは、これらの化学物質が発電ユニット３２から分離されたときの該物質の発熱量の損失であり、もう一つは、発電ユニット３２において大気中にいれた場合、可燃性である理由から水素及び一酸化炭素が示す可能性のある安全上の問題である。従って、水素及び二酸化炭素が極めて低濃度で動作することが可能な触媒バーナー９６を用いることが有利である。１つの実施形態において、触媒バーナー９６は、望ましくない化学物質の一部を保持する流体ストリーム８２を受け取り、熱及び非可燃性の流体ストリーム９８を生成するように構成されている。

本発明のポリジェネレーションシステム１００が図１０に示されている。例示的なポリジェネレーションシステム１００の１つの実施形態において、ランキンタービン５２からの流体ストリーム５６は２つのストリーム、すなわち第１の部分１０２と第２の部分１０４とに分割される。１つの実施形態において、流体ストリーム１０２は、蒸気発生器３６に送られ、流体ストリーム１０４は、合成ガス濃縮ユニット８の分離ユニット７８に送られる。蒸気発生器３６に流体ストリーム１０２を送る利点は、熱含量が増大することであり、ポリジェネレーションシステム１００の全体効率が増大することになる。

本発明のポリジェネレーションシステム１１０が図１１に示されている。例示的なポリジェネレーションシステム１１０は、不純物除去ユニット１０６及び膜反応器１１８を備える合成ガス濃縮ユニット８を含む。不純物除去ユニット１０６は、合成ガス６からの望ましくない化学物質の一部を分離し、精製された合成ガス１２２をもたらす。１つの実施形態において、水性ガスシフトユニット７６及び分離ユニット７８が組み合わされて膜反応器１１８になる。膜反応器１１８は、精製合成ガス１２２を受け取り、濃縮合成ガス１４と望ましくない化学物質の一部を保持する流体ストリーム８２を生成するよう構成される。１つの実施形態において、ランキンタービン５２から引き出された流体ストリーム５６は、３つのストリーム、すなわち蒸気発生器３６に送られる第１の流体ストリーム１０２と、膜反応器１１８の分離ユニット７８に送られる第２の流体ストリーム１０４と、不純物除去ユニット１０６に送られる第３の流体ストリーム１１４とに分割される。

１つの実施形態において、不純物除去ユニット１０６は、限定ではないが、粒子状物質、硫黄の酸化物、塩素化合物、及びアンモニアを含む望ましくない化学物質の幾らかを流体ストリーム１５の一部として実質的に除去する。望ましくない化学物質の実質的除去とは、不純物全体の約８０％〜約９５％除去することである。通常、膜反応器１１８は、粒子状物質のような望ましくない化学物質のあるタイプを処理する能力が限定的であり、従って、膜反応器１１８に合成ガス６が送られる前にこれらの望ましくない化学物質を除去する必用がある。

膜反応器１１８は、例えば中空線維モジュール、螺旋巻きモジュール、プレート及びフレーム型膜モジュールを含む好適な構成を有する。図１２の１つの例示的な構成において、膜反応器１１８は中空の線維膜モジュールである。膜反応器１１８において、水性ガスシフト反応及び望ましくない化学物質の分離は同時に行われ、これにより水性ガスシフト反応平衡強化変換を変更する。強化変換により、水性ガスシフトユニット７６の反応容積をより小さくすることが可能となり、システム全体の効率の改善が可能となる。１つの実施形態において、水性ガスシフト触媒は図１２のようにシェル側にある。膜のいずれかの側のストリームの流れは、同じ方向（並流）又は反対方向（対向流）とすることができる。１つの実施形態において、膜反応器１１８のシェル側及び管側のストリームの流れは、図１２に示すように対向流である。別の実施形態において、流れは並流（図１２には示していない）である。

図１１に示す例示的なポリジェネレーションシステム１１０及び図１２に示す膜反応器１１８を参照すると、１つの実施形態において、不純物除去ユニット１０６からの精製合成ガス１２２及び蒸気発生器３６からの流体ストリーム９２は、膜反応器１１８のシェル側に送られ、ここで水性ガスシフト反応が行われ、二酸化炭素及び水素を生成する。１つの実施形態において、水性ガスシフト触媒はシェル側に置かれる。別の実施形態において、水性ガスシフト反応によって生成された熱の取り出しが行われる（図９では図示せず）。

１つの実施形態において、膜は二酸化炭素を透過することができ、膜反応器１１８の膜壁を横断して透過する二酸化炭素のキャリアとして流体ストリーム１０４が使用される。二酸化炭素を選択的に透過することができる膜を使用することにより、二酸化炭素の分離と水素生成のための精製合成ガス１２２の変換の増大が同時に成し遂げられる。膜反応器１１８を利用する別の利点は、水性ガスシフト反応を高圧で行うことができる点であり、これにより高圧で精製合成ガス１２２が利用可能であるときにはシステム全体の効率が改善される。膜反応器１１８における分離の駆動力は、膜を挟んだ両側の圧力差であり、反応物質として高圧蒸気９２と、二酸化炭素用のキャリアとして低圧流体ストリーム１０４とを用いて、駆動力を提供する。

限定ではないが、膜を横断して透過される二酸化炭素、水素、又は一酸化炭素を含む成分を保持する流体ストリーム８２は、触媒バーナー９６に送られ、不燃性流体ストリーム９８９を生成し、該ストリームは、高圧蒸気９２と共に作動流体としてランキンタービン５２に送られる。流体ストリーム９８により保持される望ましくない化学物質は、流体ストリーム９８がランキンタービン５２で膨張された後に流体ストリーム１３として分離される。従って、発電ユニット３２を合成ガス濃縮ユニット８と統合することによって、本発明のポリジェネレーションシステムの全体の効率が改善される。

別の実施形態において、望ましくない化学物質の一部を保持する流体ストリーム１５を生成するために、流体ストリーム１１４を用いて、望ましくない化学物質を不純物辞去ユニット１０６から除去するのを促進する。前の実施形態において説明したように、望ましくない化学物質は、合成ガス濃縮ユニット８又は発電ユニット３２或いはその両方において分離される。

本発明のポリジェネレーションシステム１３０が図１３に示されている。例示的なポリジェネレーションシステム１３０は、高純度水素を生成する圧力スイング吸着ユニット（ＰＳＡ）１２６を含む。ＰＳＡユニット１２６からの水素の純度は約９５％である。１つの実施形態において、合成ガス濃縮ユニット８からの濃縮合成ガス１４の第１の部分１２４はＰＳＡユニット１２６に送られ、高純度水素（図１３でＨ_２で示されている）と幾らかの水素を含有するＰＳＡオフガスストリーム１２８とを生成する。１つの実施形態において、ＰＳＡオフガスストリーム１２８は、流体ストリーム８２と共に燃焼される触媒バーナー９６に送られ、追加の熱を発生し、不燃性流体ストリーム９８を生成する。濃縮合成ガス１４の第２の部分１３２は、発電ユニット３２のガスタービンユニット３４に送られる。

本発明のポリジェネレーションシステム１４０が図１４に示されている。例示的なポリジェネレーションシステム１４０は、ガス化装置１３４及び合成ガス冷却器１３６を有する合成ガス発生器４と、粒子状物質除去ユニット１４６及び合成ガススイートニングユニット１３８を有する合成ガス濃縮ユニット８とを含む。１つの実施形態において、分離ユニット６２からの酸素リッチストリーム７４と炭素質燃料とがガス化装置１３４に供給されて合成ガス６を生成し、これが合成ガス冷却器１３６で冷却されて冷却合成ガス１４２を生成する。１つの実施形態において、空気分離ユニット６２からの酸素希薄ストリーム６８は、ガスタービン３４（図１４には図示せず）に送られる。１つの実施形態において、ガス化装置１３４及び合成ガス冷却器１３６が組み合わされて単一のユニットにされ、別の実施形態において、これらは別個のユニットである。１つの実施形態において、合成ガス冷却器１３６は、放射合成ガス冷却器であり、別の実施形態において合成ガス冷却器１３６は、クエンチユニットである。１つの実施形態において、合成ガス濃縮ユニット８は、粒子状物質除去ユニット１４６、合成ガススイートニングユニット１３８、及び膜反応器１１８を含む。１つの実施形態において、冷却合成ガス１４２が粒子状物質除去ユニット１４６に供給されて、粒子状物質のない合成ガス１５２が生成される。粒子状物質のない合成ガス１５２は、合成ガススイートニングユニット１３８に送られ、スイート合成ガス１５４及び酸性ストリーム１４８が生成される。酸性合成ガス１５４は更に、膜反応器１１８に供給され、ここでスイート合成ガス１５４がＷＧＳユニット７６において水性ガスシフト反応を生じ、望ましくない化学物質が分離ユニット７８で分離されて濃縮合成ガス１４を生成する。

例示的な発電ユニット３２が図１５に示されている。１つの実施形態において、ランキンタービン５２は、高圧タービン（ＨＰＴ）１５８、中圧タービン（ＩＰＴ）１６２、及び低圧タービン（ＬＰＴ）１６４を含む。１つの例示的な実施形態において、合成ガス濃縮ユニットからの濃縮合成ガス１４がガスタービン３４で燃焼されて電力４２を生成する。ガスタービン３４からの高温膨張ガス４６が蒸気発生器３６に送られ、高圧蒸気４８と、スタック１５６から大気中に出されるクリーンな排気ガス４４を生成する。１つの実施形態において、流体ストリーム９２が膜反応器１１８に送られ、水性ガスシフト反応に関わる。１つの実施形態において、ストリーム９２及び濃縮合成ガス１４が約４．５ＭＰａ（約４５バール）の圧力にされる。高圧ストリーム４８の第２の部分９４が高圧タービン１５８で膨張される。高圧タービンからの流体ストリーム１０４は、望ましくない化学物質を保持するためのキャリアとして膜反応器１１８において使用される。１つの実施形態において、流体ストリーム１０４は、約４ＭＰａ（約４０バール）の圧力にされる。不燃性ストリーム９８が、低圧タービン１６４に接続された中圧タービン１６２で膨張される。低圧タービン１６４からの流体ストリームは、凝縮器に送られ、ここで望ましくない化学物質は流体ストリーム１３として分離され、残りの流体は再循環（図１５には図示せず）される。

本明細書では本発明の特定の特徴のみを図示し説明してきたが、当業者であれば多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、添付の請求項は、本発明の真の精神の範囲内にあるこうした修正及び変更全てを保護するものである点を理解されたい。

本発明の第１の実施形態を示す図。本発明の第２の実施形態を示す図。本発明の第３の実施形態を示す図。本発明の第４の実施形態を示す図。本発明の第５の実施形態を示す図。本発明の第６の実施形態を示す図。本発明の第７の実施形態を示す図。本発明の第８の実施形態を示す図。本発明の第９の実施形態を示す図。本発明の第１０の実施形態を示す図。本発明の第１１の実施形態を示す図。例示的な膜反応器を示す図。本発明の第１２の実施形態を示す図。本発明の第１３の実施形態を示す図。例示的な発電ユニットを示す図。

符号の説明

２炭素質燃料
４合成ガス生成器
６合成ガス
８合成ガス濃縮ユニット
１０図１のポリジェネレーションシステム
１２望ましくない化学物質を保持する廃棄ストリーム
１３発電ユニット３２から取り出された望ましくない化学物質を保持する流体ストリーム
１４濃縮合成ガス
１５不純物除去ユニット１０６からの望ましくない化学物質を保持する流体ストリーム
１６合成ガス濃縮を促進する流体ストリーム
１８合成ガス利用システム
２０図２のポリジェネレーションシステム
２２有用な製品
２４化学合成ユニット
２８蒸気タービンから合成ガス濃縮ユニットへの流体ストリーム
３０図３のポリジェネレーションシステム
３２発電ユニット
３４ガスタービン
３６蒸気発生器
３８蒸気タービン
４０図４のポリジェネレーションシステム
４２電力
４４クリーン排気ガス
４６高温膨張ガス
４８高圧ストリーム
５０図５のポリジェネレーションシステム
５２ランキンタービン
５３化学合成に送られた濃縮合成ガス１４の第１の部分
５４合成ガス濃縮ユニットからランキンタービンへの流体ストリーム
５５ガスタービンに送られた濃縮合成ガス１４の第２の部分
５６ランキンタービンから合成ガス濃縮ユニットへの流体ストリーム
５８空気
６０図６のポリジェネレーションシステム
６２空気分離ユニット
６４合成ガス濃縮ユニット８に送られた流体ストリーム５６の第２の部分
６６空気分離ユニット６２に送られた流体ストリーム５６の第１の部分
６８酸素希薄ストリーム
７０図７のポリジェネレーションシステム
７２混合ストリーム
７４酸素リッチストリーム
７６水性ガスシフトユニット
７８分離ユニット
８０図８のポリジェネレーションシステム
８２図７の望ましくない化学物質を含む流体ストリーム
８４図７のランキンタービンから合成ガス濃縮ユニットへの流体ストリーム
８８水素濃縮合成ガス
９０図９のポリジェネレーションシステム
９２高圧蒸気４８の第１の部分
９４高圧蒸気４８の第２の部分
９６触媒バーナー
９８触媒バーナーからの不燃性流体ストリーム
１００図１０のポリジェネレーションシステム
１０２流体ストリーム８４の第１の部分
１０４流体ストリーム８４の第２の部分
１０６不純物除去ユニット
１１０図１１のポリジェネレーションシステム
１１４流体ストリーム８４の第３の部分
１１８膜反応器
１２０図１２のポリジェネレーションシステム
１２２精製合成ガス
１２４濃縮合成ガス１４の第１の部分
１２６圧力スイング吸着ユニット（ｐｓａ）
１２８ｐｓａオフガスストリーム
１３０図１３のポリジェネレーションシステム
１３２濃縮合成ガス１４の第２の部分
１３４ガス化装置
１３６合成ガス冷却器
１３８合成ガススイートニングユニット
１４０図４のポリジェネレーションシステム
１４２冷却合成ガス
１４６粒子状物質除去ユニット
１４８酸性ストリーム
１５２粒子状物質のない合成ガス
１５４スイート合成ガス
１５６スタック
１５８高圧タービン（ＨＰＴ）
１６２中圧タービン（ＩＰＴ）
１６４低圧タービン（ＬＰＴ）

Claims

一酸化炭素及び水素を含む合成ガス（６）を生成する合成ガス生成器（４）と、
前記合成ガス（６）を受け取り、これから望ましくない化学物質を分離して濃縮合成ガス（１４）を生成する合成ガス濃縮ユニット（８）と、
発電システム（３２）と、
を備え、前記発電システム（３２）が、
前記濃縮合成ガス（１４）を燃焼させて電力（４２）及び高温膨張ガス（４６）を生成するガスタービンシステム（３４）と、
前記高温膨張ガス（４６）を受け取り、蒸気の第１の部分（４８）を生成する蒸気発生システム（３６）と、
前記蒸気の第１の部分（４８）を受け取り、電力（４２）及び蒸気の第２の部分（２８）を生成する蒸気タービンシステム（３８）と、
を含み、前記蒸気の第２の部分（２８）が、前記合成ガス濃縮ユニット（８）に提供されて前記望ましくない化学物質の分離を促進する、
ことを特徴とするポリジェネレーションシステム。
一酸化炭素及び水素を含む合成ガス（６）を生成する合成ガス生成器（４）と、
前記合成ガス（６）を受け取り、濃縮合成ガス（１４）と望ましくない化学物質（５４）を含む流体ストリームとを生成する合成ガス濃縮ユニット（８）と、
発電システム（３２）と、
を備え、前記発電システム（３２）が、
前記濃縮合成ガス（１４）を燃焼させて電力（４２）及び高温膨張ガス（４６）を生成するガスタービンシステム（３４）と、
前記高温膨張ガス（４６）を受け取り、蒸気の第１の部分（４８）を生成する蒸気発生システム（３６）と、
前記蒸気の第１の部分（４８）と望ましくない化学物質（５４）を含む前記流体ストリームとを受け取り、電力（４２）及び蒸気の第２の部分（５６）を生成するランキンタービンシステム（５２）と、
を含み、
前記蒸気の第２の部分（５６）が前記合成ガス濃縮ユニット（８）に提供されて前記望ましくない化学物質の分離を促進する、
ことを特徴とするポリジェネレーションシステム。
一酸化炭素及び水素を含む合成ガス（６）を生成する合成ガス生成器（４）と、
前記合成ガス（６）を受け取り且つ水素濃縮合成ガス（８８）を生成する水性ガスシフトユニット（７６）と、前記水素濃縮合成ガス（８８）を受け取り且つこれから望ましくない化学物質を分離して濃縮合成ガス（１４）及び前記望ましくない化学物質を含む流体ストリーム（８２）を生成する分離ユニット（７８）とを有する合成ガス濃縮ユニット（８）と、
発電システム（３２）と、
を備え、
前記発電システム（３２）が、
前記濃縮合成ガス（１４）を燃焼させて電力（４２）及び高温膨張ガス（４６）を生成するガスタービンシステム（３４）と、
前記高温膨張ガス（４６）を受け取り、蒸気の第１の部分（４８）を生成する蒸気発生システム（３６）と、
前記蒸気の第１の部分（４８）と前記望ましくない化学物質を含む前記流体ストリーム（８２）とを受け取り、電力（４２）及び蒸気の第２の部分（５６）を生成するランキンタービンシステム（５２）と、
を含み、
前記蒸気の第２の部分（５６）が前記合成ガス濃縮ユニット（８）に提供されて前記望ましくない化学物質の分離を促進する、
ことを特徴とするポリジェネレーションシステム。
前記望ましくない化学物質を含む前記流体ストリーム（８２）を受け取る触媒バーナー（９６）を更に備える、
請求項３に記載のポリジェネレーションシステム。
一酸化炭素及び水素を含む合成ガス（６）を生成する合成ガス生成器（４）と、
前記合成ガス（６）及び蒸気の第１の部分（９２）を受け取り、水素濃縮合成ガス（８８）を生成するよう構成された水性ガスシフトユニット（７６）と、前記水素濃縮合成ガス（８８）を受け取り且つこれから望ましくない化学物質を分離して濃縮合成ガス（１４）及び前記望ましくない化学物質を含む流体ストリーム（８２）を生成するよう構成された分離ユニット（７８）とを有する合成ガス濃縮ユニット（８）と、
発電システム（３２）と、
を備え、
前記発電システム（３２）が、
前記濃縮合成ガス（１４）を燃焼させて電力（４２）及び高温膨張ガス（４６）を生成するガスタービンシステム（３４）と、
前記高温膨張ガス（４６）を受け取り、蒸気の第１の部分（９２）及び蒸気の第２の部分（９４）を生成する蒸気発生システム（３６）と、
前記蒸気の第２の部分（９４）と前記望ましくない化学物質を含む前記流体ストリーム（８２）とを受け取り、電力（４２）及び蒸気の第３の部分（５６）を生成するランキンタービンシステム（５２）と、
を含み、
前記蒸気の第３の部分（５６）が前記分離ユニット（７８）に提供されて前記望ましくない化学物質の分離を促進する、
ことを特徴とするポリジェネレーションシステム。
空気を受け取り酸素リッチストリーム（７４）を生成する空気分離ユニット（６２）と、
炭素質燃料（２）及び酸素リッチストリーム（７４）を受け取り一酸化炭素及び水素を含む合成ガス（６）を生成するガス化装置（１３４）と、前記合成ガス（６）を受け取り冷却合成ガス（１４２）を生成する冷却ユニット（１３６）とを有する合成ガス生成器（４）と、
前記冷却合成ガス（１４２）を受け取り粒子状物質のない合成ガス（１５２）を生成する粒子状物質除去ユニット（１４６）と、前記粒子状物質のない合成ガス（１５２）を受け取りスイート合成ガス（１５４）を生成する合成ガススイートニングユニット（１３８）と、前記スイート合成ガス（１５４）及び蒸気の第１の部分（９２）を受け取り水素濃縮合成ガス（８８）を生成する水性ガスシフト反応器（７６）と、前記水素濃縮合成ガス（８８）を受け取り且つこれから望ましくない化学物質を分離して濃縮合成ガス（１４）及び前記望ましくない化学物質を含む流体ストリーム（８２）を生成する分離ユニット（７８）とを有する合成ガス濃縮ユニット（８）と、
前記望ましくない化学物質を含む前記流体ストリーム（８２）を受け取り不燃性流体ストリーム（９８）を生成する触媒バーナー（９６）と、
発電システム（３２）と、
を備え、
前記発電システム（３２）が、
前記濃縮合成ガス（１４）を燃焼させて電力（４２）及び高温膨張ガス（４６）を生成するガスタービンシステム（３４）と、
前記高温膨張ガス（４６）を受け取り前記蒸気の第１の部分（９２）と蒸気の第２の部分（９４）とを生成する蒸気発生システム（３６）と、
前記蒸気の第２の部分（９４）及び前記不燃性流体ストリーム（９８）を受け取り、電力（４２）及び蒸気の第３の部分（５６）を生成するランキンタービンシステム（５２）と、
を含み、
前記蒸気の第３の部分（５６）が前記分離ユニット（７８）に提供されて前記望ましくない化学物質の分離を促進する、
ことを特徴とするポリジェネレーションシステム。
前記水性ガスシフト反応器（７６）と前記分離ユニット（７８）とが組み合わされて膜反応器（１１８）にされる、
請求項６に記載のポリジェネレーションシステム。