JP5809919B2

JP5809919B2 - 代替天然ガス生成システム

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Publication number: JP5809919B2
Application number: JP2011226310A
Authority: JP
Inventors: プラディプ・スタンレー・サッカー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: PL226887B1; KR20120040675A; US20120093690A1; JP2012087300A; CN102533364B; CN102533364A; KR101862869B1; RU2573837C2; PL396625A1; US8420031B2; RU2011142877A

Description

本明細書で開示される主題は、代替天然ガスの生成及び発電に関する。

発電プラントは、石炭のような種々の炭化水素原料から比較的効率的にエネルギーを生成することができる。工業技術を用いて、炭化水素原料をガス化装置内で酸素及び蒸気と反応させることにより、主として一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ₂）からなるガス混合気すなわちシンガスに転化することができる。これらのガスは、従来の複合サイクル発電プラントで燃料として処理、加工及び利用することができる。例えば、シンガスは、発電プラントに送られ、ガスタービンを作動させるための燃料としてシンガスを利用し電気を生成する。或いは、シンガスは、天然ガス複合サイクル（ＮＧＣＣ）発電プラントのガスタービンに供給される前に、代替天然ガス（ＳＮＧ）へと転化させることができる。シンガスからのＳＮＧの生成は、多数のステップ及び転化ユニットを用いた複雑な事業であり、独立して構築及び／又は維持するために高コストとなる可能性がある。

本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。

第１の実施形態では、システムは、代替天然ガス（ＳＮＧ）生産システムを備え、シンガスを生成するよう構成されたガス化装置と、シンガスを冷却するよう構成され、約７０フィートと約１００フィートとの間の長さを有する放射シンガス冷却器（ＲＳＣ）と、シンガスからＳＮＧを生成するよう構成されたメタン生成ユニットと、ＲＳＣからメタン生成ユニットを通る流体経路と、を含み、流体経路において発生する流体の圧力及び温度は、流体がメタン生成ユニットを通過するときに流体経路において流体に伝達される熱量に基づいている。

第２の実施形態では、システムは、流体を送るように構成された冷却管体を備える放射シンガス冷却器を含み、ＲＳＣは、約７５０°Ｆから８５０°Ｆまでの流体の過熱を可能にするレベルでＲＳＣから出る流体の圧力及び温度を生成するような伝熱面積を有するように構成され、伝熱面積は、流体がＲＳＣの外部にある第１の経路における熱交換器を通過するときに流体に伝達される熱量に基づいて決定される。

第３の実施形態では、システムは、代替天然ガス（ＳＮＧ）生産システムを含み、シンガスを冷却するよう構成された放射シンガス冷却器（ＲＳＣ）と、シンガス中の水素と一酸化炭素の比率を調整してシフトシンガスを生成するよう構成された水−ガスシフト反応器にＲＳＣから水及びシンガスを運ぶよう構成された第１の流体経路と、シフトシンガスからＳＮＧを生成するよう構成されたメタン生成ユニットと、ＲＳＣからメタン生成ユニットに流体を運ぶよう構成された第２の流体経路と、を備え、第２の流体経路中の流体の圧力温度は、流体がメタン生成ユニットを通過するときに第２の流体経路において流体に伝達される熱量に基づいている。

代替天然ガス（ＳＮＧ）生産システムの一実施形態の概略ブロック図。図１の放射線シンガス冷却器の一実施形態の側断面図。図１の水−ガスシフト反応器に送られる液体量の制御を示すフローチャート。図１のＳＮＧ生産システムにおける流体過熱システムの一実施形態の概略ブロック図。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。

以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。

本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。

本開示は、シンガスから代替天然ガス（ＳＮＧ）を生成する生産システム及び方法に関する。ＳＮＧは、石炭又はバイオマスなどの燃料源から製造できるメタンを主として含有するガスとすることができる。ＳＮＧを生成する生産システムは、放射シンガス冷却器（ＲＳＣ）を含むことができ、該放射シンガス冷却器は、メタン生成及びガス冷却ユニットと共に作動して、蒸気タービンに送るための蒸気を過熱する。メタン生成及びガス冷却ユニットにおけるシンガスからのＳＮＧの生成は発熱反応であり、これを利用して水を加熱して蒸気を生成することができ、該蒸気が蒸気タービンによって使用されて電力を生成することができる。過熱される水は、ＲＳＣからメタン生成及びガス冷却ユニットにより受け取ることができ、ここでこの水を用いて、ＲＳＣにおいて生のシンガスを冷却した。ＲＳＣにおいて生のシンガスを冷却するのに使用される水の温度及び圧力は、伝熱面積（水がシンガスと反応することができる表面積など）に基づいて設定することができる。この伝熱面積は、例えば、ＲＳＣの長さ、外周、又は他のサイズ尺度、ひいては、ＲＳＣにおいてシンガスとの熱交換器として機能するＲＳＣ内の冷却管体の長さ及び／又は量に関連することができる。更に、ＲＳＣの伝熱面積は、メタン生成及びガス冷却ユニットのメタン生成ユニットを空気が通過するときに該空気に伝達される期待熱量に基づいて設定することができる。このようにして、ＲＳＣなどの既存の機器を利用して、追加の熱交換機器を必要とせずに蒸気タービンで使用するために過熱される水を予熱することができる。

加えて、ＲＳＣは、シンガス及び水を水−ガスシフト反応器に送り、シンガス中の水素と一酸化炭素の比を調整することができる。シンガスと水の比率は、ＲＳＣの耐用期間の間に変えることができる。従って、水−ガス反応器に追加の水を送り、比較的一定の水（例えば、蒸気）を、ＲＳＣから水−ガス反応器に送られる水とシンガスとの乾燥ガス比に維持することができる。水（例えば、蒸気）を乾燥ガス比に維持するためにコントローラを設けることができ、これによりコントローラは、バルブの開閉を調整することにより水−ガス反応器に送られる追加水量を調整することができる。コントローラは、ＲＳＣにおいて生じる汚損量、具体的には、ＲＳＣにおいて冷却管体の周りで生じる汚損量に関してセンサが実施した測定値に基づいてバルブを調整することができる。

図１は、文脈上、代替天然ガス（ＳＮＧ）生産システム１００を示している。ＳＮＧ生産システム１００の要素は、固体原料のような燃料源１０２を含むことができ、ＳＮＧの生産のためのエネルギー源として利用することができる。燃料源１０２は、石炭、石油コークス、バイオマス、木質系材料、農業廃棄物、タール、コークス炉ガス及びアスファルト、又は他の炭素含有物を含むことができる。

燃料源１０２の固体燃料は、原料ガス化及びスクラビングシステム１０４に送ることができる。原料ガス化及びスクラビングシステム１０４は、複数のサブシステムを含むことができる。例えば、原料ガス化及びスクラビングシステム１０４は、燃料源１０２を細断、ミル加工、破砕、微粉砕、ブリケット、又はパレタイジングして原材料を生成することにより、該燃料源１０２のサイズ変更及び形状変更をすることができる原材料調製サブシステムを含むことができる。加えて、水又は他の好適な液体を原材料調製サブシステムにおいて燃料源１０２に添加し、スラリー状原材料を生成することができる。他の実施形態では、原材料調製サブシステムにおいて燃料源に液体が添加されず、すなわち乾燥原材料を生じさせる。

原材料は、原材料調製サブシステムから原料ガス化及びスクラビングシステム１０４のガス化サブシステムに送ることができる。ガス化サブシステムは、原材料を、例えばシンガスのような一酸化炭素と水素の組み合わせに転化することができる。この転化は、ガス化サブシステムにおいて利用されるガス化装置のタイプに応じて、高圧（例えば、約２０バールから約８５バール）及び高温（例えば、約１３００°Ｆから約２９００°Ｆ）で蒸気及び酸素の制御された量に原材料を曝すことにより達成することができる。ガス化プロセスはまた、原材料が熱分解プロセスを受けることを含むことができ、これにより原材料が加熱されるようになる。ガス化サブシステムのガス化装置の内部温度は、原材料を生成するのに利用される燃料源１０２に応じて、熱分解プロセス中に約３００°Ｆから約１３００°Ｆの範囲にわたることができる。熱分解プロセス中の原材料の加熱は、固体物（例えば、チャー）と、残留ガス（例えば、一酸化炭素、水素、及び窒素）とを生成することができる。熱分解プロセスによる原材料からの残留チャーは、元の原材料の重量の最大約３０％の重さしかない可能性がある。

次いで、燃焼プロセスは、ガス化サブシステムにおいて生じることができる。この燃焼プロセスを助けるために、酸素１０３は、空気分離ユニット（ＡＳＵ）１０６からガス化サブシステムに供給することができる。ＡＳＵ１０６は、例えば、極低温とすることができ、或いは、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）を利用できる蒸留技術によって、空気１０５を成分ガスに分離するよう動作することができる。ＡＳＵ１０６は、供給される空気から酸素１０３を分離することができ、分離した酸素１０３をガス化サブシステムに移送することができる。加えて、ＡＳＵ１０６は、例えば、収集又は発電で更に用いるために、空気１０５から窒素１０７を分離することができる。

従って、空気１０５から分離された酸素１０３は、燃焼の目的でＡＳＵ１０６からガス化サブシステムによって受け取られる。燃焼は、酸素１０３を炭化物及び残留ガスに導入する段階を含み、炭化物及び残留ガスが酸素１０３と反応して二酸化炭素と一酸化炭素とを形成し、従って、後続のガス化反応に熱を提供できるようにする。燃焼プロセス中の温度は、約１３００°Ｆから約２９００°Ｆの範囲とすることができる。次に、ガス化段階の間に原料ガス化及びスクラビングシステム１０４のガス化サブシステムに蒸気を導入することができる。炭化物は、二酸化炭素及び蒸気と反応して、約１５００°Ｆ〜約２９００°Ｆの範囲にわたる温度で一酸化炭素及び水素を生成することができる。本質的には、ガス化サブシステムのガス化装置は、蒸気及び酸素を利用して、原材料の一部を燃焼させて二酸化炭素及びエネルギーを生成し、従って、更なる原材料を水素及び追加の二酸化炭素に転化する主反応を促進することができる。

このようにして、結果として得られるガスは、ガス化サブシステムのガス化装置により製造される。結果として得られるガスは、約８５％が一酸化炭素及び水素と、更にＣＨ４、ＮＨ３、ＣＯＳ、ＣＯ₂、及びＨ２Ｓ（原材料の硫黄含有量に基づく）を含むことができる。この結果として得られるガスは、生の又は未処理のシンガスと呼ぶことができる。ガス化サブシステムはまた、湿灰材料とすることができるスラグ１０８などの廃棄物を生成する場合がある。

スラグ１０８は、原料ガス化及びスクラビングシステム１０４のスクラビングサブシステムから取り除くことができる。スラグ１０８は、例えば、道路基礎部又は別の建築材料のように廃棄することができる。加えて、スクラビングサブシステムは、湿灰のような生のシンガスからあらゆる粒子状物質を除去することにより生シンガスを処理することができる。

次いで、生のシンガスは、経路１１１に沿って水−ガスシフト反応器１１０に送ることができる。水−ガスシフト反応器１１０は、一酸化炭素が水（例えば、蒸気）と反応して二酸化炭素と水素を形成する水−ガスシフト反応を実施することができる。このプロセスは、生のシンガス中の水素と一酸化炭素の比をほぼ１対１から、メタン生成プロセスにおいてほぼ３対１の水素と一酸化炭素の比を含むシフトシンガスまで調整することができる。水−ガスシフト反応器１１０は、酸性の水−ガスシフト反応とすることができ、すなわち、硫黄は、水−ガスシフト反応中に水−ガスシフト反応器１１０に送給される生のシンガス中に存在することができる点に留意されたい。

水−ガスシフト反応器１１０における水−ガスシフト反応に続いて、本システム１００は、生のシフトシンガスを経路１１２に沿ってガス処理ユニット１１４に送ることができる。ガス処理ユニット１１４は、生のシフトシンガス（例えば、水−ガスシフト反応器１１０のシンガス生成物であり、硫黄を含有する）をスクラビング処理し、生のシフトシンガスから望ましくない要素（例えば、ＣＯＳ及びＨ₂Ｓ）を除去し、処理済みシンガス（例えば、硫黄無しシンガス）を生成することができる。加えて、ガス処理ユニット１１４は、生のシフトシンガスの望ましくない要素（例えば、ＣＯＳ及びＨ₂Ｓ）を硫黄回収及び排ガス処理ユニット１１６に送り、硫黄１１８の分離及び隔離を行うことができる。このようにして、硫黄１１８は、廃棄又は販売のために除去することができる。

ガス処理ユニット１１４における酸性ガス（例えば、Ｈ₂Ｓ）の除去を更に助けるために、生のシフトシンガスの一部（例えば、約１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、又はそれ以上）をアンモニアチラー１１３に送ることができる。アンモニアチラー１１３は、例えば熱交換器として作動することができる。一実施形態では、アンモニアチラー１１３は、例えば、蒸発器、生成器、吸収器、及び凝縮器を含むことができる。蒸発器は、例えば、真空のような低圧に維持することができる。蒸発器の低圧により、ＮＨ３（アンモニア）のような冷媒を超低温で沸騰させることができる。蒸発器は、生のシフトシンガスと熱を交換し蒸発器内の冷媒に熱を加える熱交換器を含むことができる。蒸発器はまた、蒸発器の周りから熱を奪うことができる。この熱伝達に起因して、冷媒は蒸気に転化することができ、該蒸気は吸収器に流れることができる。吸収器は、冷媒蒸気を水と組み合わせることができる。例えば、吸収器は、クーラント（例えば、水）を循環させる熱交換器により冷媒蒸気を冷却及び凝縮して水にする。次に、吸収ポンプによって、冷媒リッチな水を生成器にポンプ送給することができる。

生成器において、熱は、温水又は蒸気などの外部熱源によって冷媒リッチな水に伝達することができる。温水又は蒸気からの熱は、冷媒リッチな水から冷媒を沸騰させ、冷媒蒸気を生成することができる。生成器からの冷媒蒸気は、凝縮器に送ることができ、ここで冷媒蒸気は、水などのクーラントを用いて熱交換することによって液体に転化することができる。次に、冷却された冷媒は、低圧蒸発器に戻すことができ、ここで冷却冷媒を用いて冷却された生のシフトシンガスを生成するよう熱を除去し、従って、熱力学サイクルを完了することができる。冷却された生のシフトシンガスは、経路１１５に沿って生のシフトシンガスに再導入することができ、この経路１１５は、冷却された生のシフトシンガスを経路１１２に沿って流れる生のシフトシンガスに導入することができる。加えて、或いは代替として、冷却された生のシフトシンガスは、経路１１７に沿ってガス処理ユニット１１４に直接導入することができる。

ガス処理ユニット１１４によって生成された処理済みシンガスは、約３％ＣＯ、約５５％Ｈ₂、及び約４０％ＣＯ₂を含むことができ、実質的にＨ₂Ｓが取り除かれる。ガス処理ユニット１１４は更に、処理済みシンガスからＣＯ₂１１９を取り除くことができるＣＯ₂除去サブシステムを含むことができる。取り除かれたＣＯ₂１１９は、ガス処理ユニット１１４からＣＯ₂脱水及び圧縮ユニット１２０に送ることができ、該ＣＯ₂脱水及び圧縮ユニットは、貯蔵及び後続の使用のためにＣＯ₂を脱水及び圧縮することができる。例えば、ＣＯ₂１１９は、石油増進回収（ＥＯＲ）現場又は塩水帯水層などの炭素隔離現場につながるパイプラインを通って送ることができる。或いは、ＣＯ₂脱水及び圧縮ユニット１２０は、脱水及び圧縮されたＣＯ₂１１９を、例えば化学プラントに送り、そこで使用することができる。

ガス処理ユニット１１４は、処理済みシンガスを経路１２１に沿ってメタン生成及びガス冷却ユニット１２２に直接又は間接的に送ることができる。一実施形態では、経路１２１は、メタン生成及びガス冷却ユニット１２２に送る前に、処理済みシンガスを加熱する目的で水−ガスシフト反応器１１０において熱交換器に通すことができる。メタン生成及びガス冷却ユニット１２２は、処理済みシンガス中のＣＯ及びＨ₂をＣＨ４及びＨ₂Ｏに、すなわち発熱反応としてメタン（例えば、ＳＮＧ１２３）と水に転化することができる。従って、メタン生成及びガス冷却ユニット１２２は、ＳＮＧ１２３と水を生成するよう作動し、並びにクーラント（例えば、水）を利用して結果として得られるＳＮＧ１２３を冷却する熱交換器として作動することができるメタン生成反応器１２５を含むことができる。この熱交換器は、電力１２６の生成のためにメタン生成及びガス冷却ユニット１２２が蒸気タービン１２４に伝送する蒸気を発生することができる。電力１２６は、例えば、種々の製造プラントによって用いることができ、或いは、その後で使用するために電力網に伝送することができる。メタン生成及びガス冷却ユニット１２２は、シンガスをＳＮＧ１２３及び水に転化する前に、処理済みシンガス（例えば、シンガスから硫黄が除去されたもの）を利用する非酸性のメタン生成反応器を含むことができる点に留意されたい。

メタン生成及びガス冷却ユニット１２２は、生成されたＳＮＧ１２３及び水をＳＮＧ脱水及び圧縮ユニット１２８に送ることができる。このＳＮＧ脱水及び圧縮ユニット１２８は、ＳＮＧ１２３から水を分離することができ、その結果、ＳＮＧ１２３を圧縮し、ＳＮＧ脱水及び圧縮ユニット１２８から例えばＳＮＧパイプラインに送ることができる。ＳＮＧパイプラインを用いて、ＳＮＧ１２３を例えば貯蔵施設又は追加のＳＮＧ処理施設に送ることができる。一実施形態では、原料ガス化及びスクラビングシステム１０４の要素は、以下でより詳細に説明するように、メタン生成及びガス冷却ユニット１２２の作動に一致させることができる。

原料ガス化及びスクラビングシステム１０４は、スクラビンシステムの一部として放射シンガス冷却器を含むことができる。図２は、図１の原料ガス化及びスクラビングシステム１０４と共に使用する放射シンガス冷却器（ＲＳＣ）１３０の一実施形態の側断面図である。ＲＳＣ１３０の種々の態様は、軸方向又は軸線１３１、半径方向又は軸線１３２、及び円周方向又は軸線１３３を基準として説明することができる。例えば、軸線１３１は、長手方向中心線又は長手方向に相当し、軸線１３２は、長手方向中心線に対する横方向又は半径方向に相当し、軸線１３３は、長手方向中心線の周りの円周方向に相当する。シンガス並びにスラグ１０８のような廃棄物は、原料ガス化及びスクラビングシステム１０４のガス化装置（すなわち、ガス化サブシステム）において生成することができる。このスラグ１０８は、水−ガスシフト反応器１１０への生のシンガスの伝送前に除去することができる。ＲＳＣ１３０は、シンガスからスラグ１０８を分離するのに有用とすることができる。更に、ＲＳＣ１３０は、水−ガスシフト反応器１１０にＲＳＣ１３０を介して伝送する前にシンガスを冷却するのに有効とすることができる。

ＲＳＣ１３０はまた、ベッセル１３４を含むことができる。ベッセル１３４は、ＲＳＣ１３０の筐体として機能し、ＲＳＣ１３０の上側領域１３６並びにＲＳＣ１３０の下側領域１３８の両方を密閉することができる。ベッセル１３４はまた、ＲＳＣ１３０の上側領域１３６に存在することができる冷却管体１４０を収容することができる。冷却管体１４０は、ＲＳＣ１３０の半径方向軸線１３２に沿って複数の導管を含むことができ、また、軸方向軸線１３１に対してベッセル１３４と平行な方向に延びることができる。水又は別の液体などのクーラントは、管体４０を通って流れることができる。従って、管体１４０は、ＲＳＣ１３０内の熱交換器として機能することができ、シンガス及びスラグ１０８から熱を除去するためクーラントを循環させることができる。ガス化装置１４２において生成されたシンガスは、一般に、矢印１４４で示すように、管体１４０に平行な下向きに流れることができる。ガス化装置１４２は、例えば、経路１３５に沿った燃料源からの入力、並びに、例えばＡＳＵ１０６から酸素としての入力を含むことができる。一実施形態では、経路１３５に沿った燃料源からの燃料は、酸素と混合され、例えば、ガス化装置１４２内の火炎ゾーン１３９にて燃焼してシンガスを生成することができる。更に、幾つかの実施形態では、燃料の一部は、二次経路１３７に沿ってガス化装置１４２の火炎ゾーン１３９に付加することができる。一実施形態では、ガス化装置１４２に配向される燃料の約５％から約２０％を経路１３７に沿って分流し、ガス化装置１４２により生成されるシンガス中のメタン量を調整することができる。

生成されたシンガス（並びに経路１３７に沿って添加された何らかの燃料）は、管体１４０を通って流れるクーラントと共にＲＳＣ１３０の管体１４０と連動させ、これによりＲＳＣ１３０を通って移動するときにシンガスを冷却する。この結果、冷却プロセスは、管体１４０内に蒸気を発生させ、該蒸気は、図１に関して以下で更に検討するように、ＲＳＣ１３０から送ることができる。

ＲＳＣ１３０はまた、ＲＳＣ１３０の下側領域１３８に導管１４６を含むことができ、該導管は、冷却されたシンガス及びスラグ１０８をＲＳＣ１３０の外部に配向するのを助けることができる。例えば、スラグ１０８が導管１４６から出ると、スラグ１０８は、ほぼ下向き方向１４８に流れ、水を含むクエンチコーン１５０を介してＲＳＣ１３０から流出することができる。対照的に、冷却されたシンガスは、シンガスが導管１４６から流出するときに移送ライン１５４に向けてほぼ上向き方向１５２に流れることができる。冷却されたシンガスは、幾つかの実施形態では、およそ１．０：１から１．４：１の間の比率で冷却シンガスに移送することができるように、クエンチコーンにおいて水と相互作用することができる。移送ライン１５４は、経路１１１を介して水−ガスシフト反応器１１０にシンガスを移送するのに用いることができる。更に、ＲＳＣ１３０においてシンガスの冷却に関する説明を以下で行う。

高温シンガス及びスラグは、ＲＳＣ１３０の上側領域１３６を通ってガス化装置１０６から流れることができる。高温シンガス及びスラグ１０８がＲＳＣ１３０を通って下向きに移動すると、スラグ１０８は、ＲＳＣ１３０を通って下向き１４４の軸方向１３１にかなり均一に落ちることができる。対照的に、シンガスは、気体状態にあるときにＲＳＣ１３０を通って軸方向１３１に流れ始めることができるが、シンガスは、ベッセル１３４を全体に半径方向１３２に分散すると同時に、ＲＳＣ１３０を通って下向き１４４に軸方向１３１に流れることができる。このようにして、シンガスは、ＲＳＣ１３０を流れるときに、冷却管体１４０と相互作用することができ、該冷却管体１４０は、ベッセル１３４と平行に軸方向１３１に延びることができる複数の導管を含むことができる。加えて、水のようなクーラントは、冷却管体１４０を通ることができる。この水は、例えば、図１に関して詳細に検討するように、蒸気タービン１２４によって供給することができる。従って、このクーラント（例えば、水）は、冷却管体１４０からＲＳＣ１３０の外部に流れ、図１に関して詳細に検討するように、高圧蒸気として移送することができる。

冷却管体１４０を通過するクーラントは、例えば、蒸気タービン１２４からのボイラ給水とすることができる。水は、例えば、約６３０°Ｆとすることができる。別の実施形態では、水温は、プロセス産業の必要に応じて、約４５０°Ｆと約６７０°Ｆの間、約４００°Ｆと約７５０°Ｆの間、約５００°Ｆと約６５０°Ｆの間、又はそれ以上にわたることができる。対照的に、ＲＳＣ１３０を通過するシンガスは、シンガスが冷却管体１４０と相互作用するので、約２５００°Ｆから約１２００°Ｆの間に冷却することができる。すなわち、加熱されたシンガスが冷却管体１４０と相互作用すると、冷却管体１４０内部の流体と、並びに冷却管体１４０自体の両方に熱を伝達し、従って、シンガスを冷却しながら、例えば、蒸気タービンエンジン１２４が利用できる蒸気源を生成することができる。

一実施形態では、ＲＳＣ１３０すなわち管体１４０の長さ１５６は、ＳＮＧ生産システム１００の要件に基づいて決定することができる。ＲＳＣ１３０の長さ１５６は、例えば、約７０フィートと約１００フィートの間とすることができる。別の実施例において、ＲＳＣ１３０の長さ１５６は、約７０フィート、８０フィート、９０フィート、又は１００フィートとすることができる。ＲＳＣ１３０の長さ１５６は、管体１４０の長さ１５８、従って、管体１４０を通過するシンガスと水との間に伝達される熱量に影響を及ぼすことができる。管体１４０内の水に伝達される熱量は、ＲＳＣ１３０から流出する水の出口温度及び圧力を変化させることができる。例えば、ＲＳＣ１３０の長さ１５６は、ＲＳＣ１３０から流出する水が約１０００ｐｓｉと約１２００ｐｓｉとの間の圧力で約５５０°Ｆと約７００°Ｆとの間の温度となるように選択することができる。管体１４０からＲＳＣ１３０を出る水の流出圧力及び流出温度は、ＲＳＣ１３０を出る水が所望の圧力及び温度となり、例えば、メタン生成及びガス冷却ユニット１２２のメタン生成反応器１２５を加熱することを可能にするよう設定することができる。すなわち、管体１４０からＲＳＣ１３０を出る水の生成圧力及び温度は、メタン生成及びガス冷却ユニット１２２のメタン生成ユニットにおけるメタン生成反応器１２５を通過するときに、流体経路内の水に伝達される熱量に基づくことができる。上記の実施例はＲＳＣ１３０及び／又は管体１４０の長さ１５６の調節を検討したが、他の実施形態では、外周のようなＲＳＣのサイズに関する他の要因の調節は、ＲＳＣ１３０の伝熱面積全体を設定する目的で調整することができる点に留意されたい。

更に、管体１４０において冷却流体として用いることができる水は、予熱することができる。図１を参照すると、蒸気タービン１２４は、例えば、蒸気の生成において使用されるボイラ給水を含むことができる。このボイラ給水はまた、ＲＳＣ１３０の管体１４０にて使用される冷却流体源として用いることができる。例えば、蒸気タービン１２４は、経路１６０に沿ってボイラ給水をメタン生成及びガス冷却ユニット１２２に送ることができる。経路１６０に沿ってメタン生成及びガス冷却ユニット１２２に送られる給水は、約２５０°Ｆ、或いは、約２２５°Ｆと約２７０°Ｆの間の温度とすることができる。メタン生成及びガス冷却ユニット１２２にて受け取られると、給水は、メタン生成及びガス冷却ユニット１２２（例えば、メタン生成反応器１２５又は別個の熱交換器）内の熱交換器を通過することができ、これにより熱が水に伝達されるようになる。従って、経路１６２に沿ってメタン生成及びガス冷却ユニット１２２から出る水は、約３００°Ｆ、或いは約２７５°Ｆと約３２５°Ｆとの間の温度とすることができる。

経路１６２の水は、例えば、水−ガスシフト反応器１１０に位置付けられた別の熱交換器１６３に送られ、より多くの熱を吸収することができる。例えば、経路１６２に沿った水は、約３００°Ｆ、又は約２７５°Ｆと約３２５°Ｆの間とすることができる。水が水−ガスシフト反応器１１０において熱交換器１６３に入ると、水の温度は、例えば約５００°Ｆまで、或いは約４５０°Ｆと約５５０°Ｆの間まで上昇することができる。約５００°Ｆ、或いは約４５０°Ｆと約５５０°Ｆの間の水は、経路１６４に沿ってＲＳＣ１３０に送られてＲＳＣ１３０における冷却流体として機能し、例えば、上述のように冷却管体１４０を通過することができる。次いで、水は、約５５０°Ｆと約７００°Ｆの間の温度及び約１０００ｐｓｉと約１２００ｐｓｉｔの間の圧力下で経路１６６を通ってＲＳＣ１３０から流出することができる。経路１６６に沿ったこの水は、熱交換器として作動することができるメタン生成及びガス冷却ユニット１２２における１以上のメタン生成反応器１２５に送ることができる。すなわち、１以上のメタン生成反応器１２５に送られる経路１６６に沿った水は、１以上のメタン生成反応器１２５において過熱を受け、約１２００ｐｓｉと約１５００ｐｓｉｔの間の圧力下で約７５０°Ｆと約９５０°Ｆの間の温度下で高圧蒸気としてメタン生成及びガス冷却ユニット１２２から流出することができ、この蒸気は、経路１６８に沿って蒸気タービン１２４に送られ、電力１２６生成に用いることができる。経路１６８に沿った水の出力温度は、ＲＳＣ１３０の長さ１５６に基づいて決定することができる（すなわち、１以上のメタン生成反応器１２５において過熱される経路１６６に沿った水の圧力及び温度を決定する）。一実施形態では、約５００°Ｆと約６００°Ｆの温度下で約５０と約１００ｐｓｉの間の低圧水は、また、経路１７０に沿ってメタン生成及びガス冷却ユニット１２２内の１以上のメタン生成反応器１２５に送ることができる。経路１７０に沿ったこの低圧水は、また、１以上のメタン生成反応器１２５において過熱され、約７５０°Ｆと約９５０°Ｆの間の温度の低圧蒸気を生成することができ、電力１２６の生成に用いられる蒸気タービン１２４に経路１７２に沿って送ることができる。

図２を再度参照すると、シンガスがＲＳＣ１３０のベッセル１３４を通過するときに、シンガスは、ガス化プロセスからの灰分のような残留物を運ぶことができる。この残留物は、時間の経過と共に冷却管体１４０上に堆積することができる。これら冷却管体１４０上の堆積物は、時間と共に冷却管体１４０を「汚損」する可能性がある。すなわち、冷却管体１４０上に堆積した材料は、冷却管体１４０の外側面上に薄膜を生じさせるようにすることができる。これらの堆積物により、蒸気がＲＳＣ１３０の乾燥ガスに対する蒸気の比を増大させることができる。すなわち、汚損は、シンガスの冷却を変化させ、シンガスがクエンチコーン１５０にて水と接触すると、大量の蒸気を発生させ、ＲＳＣ１３０が作動時間の始まりから終わりまで移動したときに約０．８：１と約０．９：１の間から、約１．０：１と約１．４：１の間まで乾燥ガスに対する蒸気の比を増大させることができるようにする。ＲＳＣ１３０の有効寿命全体にわたり乾燥ガスに対する蒸気の比がほぼ一貫して約１．９：１と約１．４：１の間になるように平滑化するために、経路１６６に沿ってＲＳＣ１３０の管体１４９から出る水は、水−ガスシフト反応器１１０内の経路１１１に沿って伝送される生のシンガスに付加されるように分流することができる。

図１に示すように、経路１７４は、経路１６６から分岐され、例えば経路１１１を介して水を水−ガスシフト反応器１１０に送り、必要時に水−ガスシフト反応器１１０において乾燥ガスに対する蒸気の比を増大させることができるようにする。経路１７４に沿って伝達される水量は、例えばバルブ１７６により調整することができる。このバルブ１７６を開閉し、水−ガスシフト反応器１１０に送られる水量を変えることができる。コントローラ１７８は、バルブ１７６の開閉を調整するよう作動することができる。このコントローラ１７８は、１以上の「汎用」マイクロプロセッサ、１以上の専用マイクロプロセッサ、及び／又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣＳ）、或いはこのような処理構成要素の幾つかの組み合わせ、中央処理装置（ＣＰＵ）、及び／又は他のタイプのプロセッサを含むことができる。一実施形態では、コントローラ１７８は、ＲＳＣ１３０に接続できるセンサ１８０から受け取った測定値に基づいてバルブ１７６の開閉を調整することができる。このセンサ１８０は、例えば、ＲＳＣ１３０における管体１４０を通過する流体の温度を測定することによってＲＳＣ１３０において生じた汚損量を測定し、ＲＳＣ１３０において管体１４０の汚損量を決定するのに利用される測定温度に相当する信号を発生することができる。例えば、センサによる測定温度が増大すると、全体の蒸気発生（上述の乾燥ガスに対する蒸気の比に影響を及ぼす）が減少する可能性がある。従って、バルブ１７６は、コントローラ１７８によって開放され、水−ガスシフト反応器１１０に送られる水シンガス混合気により多くの蒸気を添加できるようにすることができる。加えて、又は代替として、センサ１８０は、例えば、ＲＳＣ１３０における乾燥ガスに対する蒸気の比を測定し、コントローラ１７８が使用して上述と同様の方法でバルブ１７８の開閉を制御することができる測定値に基づいた信号を生成することができる。

図３は、経路１７４に沿って水−ガスシフト反応器１１０に送られる水量を制御する方法を示すフローチャート１８２である。ステップ１８４において、コントローラ１７８は、ＲＳＣ１３０における管体１４０の汚損に関する測定値を受け取ることができる。これらの測定値は、センサ１８０から受け取ることができ、例えば、ＲＳＣ１３０において管体１４０を通る流体の温度、又は移送ライン１５４を介してＲＳＣ１３０から出る流体の乾燥ガスに対する蒸気の比に関連付けることができる。受け取った測定値に基づいて、コントローラ１７８は、ＲＳＣ１３０の汚損レベルを決定することができる。通常、ＲＳＣ１３０における管体１４０の汚損レベルは、ＲＳＣ１３０の運転初期時には最小であり、時間の経過と共に増大する。

ステップ１８８において、コントローラは、ステップ１８６において求められた汚損レベルが、例えば、センサ１８０の測定値に相当するセンサ１８０からの信号に基づいた閾値を上回るかどうかを判定することができる。この閾値は、バルブ１７６をどのように開閉すべきかに相当する１以上のレベルを含むことができ、従って、経路１７４に沿って送られる水量を調節する。汚損レベルが閾値（すなわち特定のレベル）を上回っていないとコントローラ１７８が判定した場合、コントローラ１７８は、バルブ１７６を調節せず、処理はステップ１８４に戻ることができる。しかしながら、汚損レベルが閾値（すなわち特定のレベル）を上回っているとコントローラ１７８が判定した場合、コントローラ１７８は、ステップ１９０においてレベル１７６を適宜に調節することができる。すなわち、コントローラ１７８は、ステップ１８８において試験した閾値に相当することができる所定量だけバルブ１７６を開閉することができる。ステップ１９０に続いて、処理は、ステップ１８４に戻り、上述の方法を再開することができる。フローチャート１８２のステップは、所定のスケジュールに基づいて繰り返すことができる。例えば、フローチャート１８２におけるステップは、一時間毎、一日毎、毎週、毎月、又は他の何らかの頻度で繰り返すことができる。加えて、及び／又は代替として、フローチャート１８２のステップは、ユーザによって選ばれた指定時間に繰り返すことができる。すなわち、ユーザは、いつでもあらゆる頻度で上述の方法を開始することができる。

図４は、経路１６６に沿った水の経路変更を通じて、ＲＳＣ１３０から出る水を過熱する別の方法を示している。上述のように、ＲＳＣ１３０から出る水の一部は、バルブ１７６及びコントローラ１７８を介して経路１１１に分岐することができる。経路１６６内に残留する水は、経路１９２に送ることができ、約５５０°Ｆと約７００°Ｆの間の温度とすることができる。この水の一部（例えば、約５％と約１５％の間）は、熱交換器１９４に送ることができ、残りを熱交換器２０４に送ることができる。熱交換器１９４は、経路１１１から生のシンガスが通過することができる管体１９６を含むことができる。水−ガスシフト反応器１１０において水−ガスシフト反応を加速させるのに利用される触媒は、低温のシンガスよりも高温のシンガスの方がより迅速に反応することができるので、シンガスの加熱は、水−ガスシフト反応器１１０の全体の効率化を助けることができる。従って、シンガスは、シンガスがＲＳＣ１３０から出るときの約３００°Ｆと約４００°Ｆの間の温度から、シンガスが熱交換器１９４から出るときの約４００°Ｆと約５００°Ｆの間の温度まで上昇させることができる。

熱交換器１９４において、シンガスは、分散プレート１９８に送ることができる。分散プレート１９８は、例えば、熱交換器１９４全体を通じてシンガスを均一に分散させるよう動作することができる。従って、均一に分散されたシンガスは、分散プレート１９８から熱交換器１９４の管体１９６内部に且つ該管体１９６を通って流れることができる。経路１９２からＲＳＣ１３０を出た水は、全体的に矢印２００で示される方向に熱交換器１９４を通過し、シンガスが通過する管体１９６を加温することによって（例えば、管体１９６の外部に接触することによって）シンガスに熱を加えることができる。水は、経路２１２に沿って熱交換器１９４から出て、経路１６０に伝送することができる。

熱交換器２０４は、熱交換器１９４と類似して作動することができるが、シンガスに熱を加えるのではなく、シンガスから熱を奪うことができる。例えば、水は、経路１９２から熱交換器２０４と分かれた後に経路２１４に沿って受け取ることができる。この水は、熱交換器に送ることができ、そこでシンガスから熱を奪うことができる。

例えば、シンガスは、約８５０°Ｆと約９５０°Ｆの間の温度で経路１１２に沿って水−ガスシフト反応器１１０を出ることができる。このシンガスは、分散プレート２０６に送ることができる。分散プレート２０６は、例えば、熱交換器２０４全体に均一にシンガスを分散させるよう作動することができる。従って、均一に分散されたシンガスは、分散プレート２０６から熱交換器２０４の管体２０８内部に且つ該管体２０８を通って流れる。経路２０２から熱交換器１９４を出た水は、全体的に矢印２１０で示される方向に熱交換器２０４を通過し、シンガスが通過する管体２０８を冷却することによって（例えば、管体２０８の外部に接触することによって）シンガスから熱を奪うことができる。水は、経路２１６に沿って熱交換器１９４から出て、約７５０°Ｆと約８５０°Ｆの間の温度で蒸気タービン１２４に伝送し、又はメタン生成及びガス冷却ユニット１２２に向けて経路１６６に戻すよう伝送することができる。

従って、ＲＳＣ１３０のような既存の機器を利用して、メタン生成及びガス冷却ユニット１２２から予熱水への熱の導入により蒸気タービン１２４で使用する過熱蒸気を生成できるようなレベルまで水を予熱することができる。更に、ＲＳＣ１３０を利用して水を予熱すると、追加の熱交換機器の必要性を低減することができる。加えて、熱交換器１９４及び２０４で用いるため又はこれを用いて予熱水を利用することができる。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１００代替天然ガス（ＳＮＧ）生産システム
１０２燃料源
１０３酸素
１０４原料ガス化及びスクラビングシステム
１０５空気
１０６空気分離ユニット（ＡＳＵ）
１０７窒素
１０８スラグ
１１０水−ガスシフト反応器
１１３アンモニアチラー
１１４ガス処理ユニット
１１６排ガス処理ユニット
１１８硫黄
１１９ＣＯ₂
１２０圧縮ユニット
１２２ガス冷却ユニット
１２３メタン
１２４蒸気タービン
１２５メタン生成反応器
１２６電力
１２８ＳＮＧ脱水及び圧縮ユニット
１３０放射シンガス冷却器（ＲＳＣ）
１３１軸方向軸線
１３２半径方向軸線
１３３円周方向軸線
１３４容器
１３６上側領域
１３７２次経路
１３９火炎ゾーン
１４０冷却管体
１４２ガス化装置
１４６導管
１５０クエンチコーン
１５２上側方向
１５４移送ライン
１５６長さ
１５８長さ
１６２経路
１６３熱交換器
１７６バルブ
１７８コントローラ
１８０センサ
１９４熱交換器
１９６管体
１９８分散プレート
２０４熱交換器
２０６分散プレート
２０８管体

Claims

代替天然ガス（ＳＮＧ）生産システム（１００）を備えたシステムであって、
シンガスを生成するよう構成されたガス化装置（１４２）と、
流体経路内の流体とシンガスとの間で熱を伝達することにより、シンガスを冷却するよう構成され、７０フィートと１００フィートとの間の長さを有する放射シンガス冷却器（ＲＳＣ）（１３０）と、
シンガスからＳＮＧを生成するよう構成されたメタン生成ユニットと、
を含み、
前記流体経路が、前記ＲＳＣから出て、前記メタン生成ユニットを通り、
前記流体経路において発生する流体の圧力及び温度は、前記流体が前記メタン生成ユニットを通過するときに前記流体経路において前記メタン生成ユニットから前記流体に伝達される熱量に基づいており、
前記流体が、蒸気タービン（１２４）と前記ＲＳＣ（１３０）との間の第２の流体経路に沿って前記蒸気タービン（１２４）から送られる水を含み、
前記メタン生成ユニットが熱交換器を含み、該メタン生成ユニットが、前記蒸気タービン（１２４）と前記ＲＳＣ（１３０）との間の前記第２の流体経路に配置される、
システム。
メタン生成ユニットは、シンガスからＳＮＧを生成するよう構成されたメタン生成反応器（１２５）を含む、請求項１記載のシステム。
メタン生成反応器（１２５）は、前記流体経路における前記流体を７５０°Ｆから９５０°Ｆの間まで過熱するよう構成された熱交換器（１６３）を含む、請求項２記載のシステム。
前記ガス化装置（１４２）が、該ガス化装置（１４２）の火炎ゾーン（１３９）への２つの別個の経路に沿って燃料を受け取り、前記ガス化装置（１４２）から生成されたシンガス中のメタン（１２３）の量を変更するように構成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
前記メタン生成ユニットと前記ＲＳＣ（１３０）との間の前記第２の流体経路に配置される水−ガスシフト反応器（１１０）を備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。