JPH076409B2

JPH076409B2 - 触媒還元における温度制御方法

Info

Publication number: JPH076409B2
Application number: JP25022186A
Authority: JP
Inventors: 正辻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1986-10-21
Filing date: 1986-10-21
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPS63105241A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はガスタービンに投入する燃料の保有熱量を、上
記ガスタービンの高温排気で高めることにより燃料節約
を図った複合発電システムにおいて、反応触媒の還元操
作における温度制御方法に関する。

［従来の技術］近時、ガスタービン発電系とその排熱エネルギにより駆
動される蒸気ダービン発電系とを組合せた複合発電シス
テムが、LNG気化ガス等のクリーン燃料の有効利用を図
り得る新しい技術として注目されている。第４図はこの
種の従来（特願昭57−215914号明細書）の概略構成を示
す図である。燃料ａは、燃料予熱器7aと反応触媒内蔵の
燃料気化器（燃料蒸発器）7bを順次通して燃焼器１に供
給され、上気燃料ａは圧縮機2cで圧縮された燃焼用空気
ｂと共に燃焼し、その燃焼エネルギによりガスタービン
発電系２を駆動している。このガスタービン発電系２は
ガスタービン2aと、そのタービン2aの出力によって駆動
される発電機2bおよび上気燃焼用空気ｂに対する空気圧
縮器2cを備えて構成され、発電出力を得ている。しかし
て、ガスタービン発電系２の高温排ガスは、排熱ボイラ
系３の排気本管3aを通して排出される。

この排気本管3a内の上流端部と下流端部との間を連結し
て排気分岐管8aを設け、排気本管3a内には上流側より下
流側に向って蒸気発生器3c、給水予熱器3bおよび燃料予
熱器7aを配設し、排気分岐管8a内には燃料気化器7bを配
設してある。

上記排気分岐管8aの入口部と出口部にはそれぞれ分岐管
入口ダンパ（流量制御用ダンパ）8b、分岐管出口ダンパ
（流量制御用ダンパ）8cが設けられ、排気分岐管8a内を
分流する排ガス流量を制御できる構成となっている。ま
た上記蒸気発生器3cと給水予熱器3bとは排気本管3a内に
おける蒸気入口ダンパ8bと出口ダンパ8cとの間の位置に
配設されている。

そこで、上記ガスタービン2aに供給される燃料ａは、予
め、排気本管3a内の燃料予熱器7aにより加熱され、さら
に排気分岐管8a内の燃料気化器7bにより、ガスタービン
2aからの高温排ガスｃの熱エネルギを与えられて化学的
に反応し、燃焼エネルギの高い二次燃料に変換されるこ
とになる。

一方、蒸気タービン発電系４の蒸気タービン4aには上記
排熱ボイラ系３で発生した蒸気が供給され、発電機4bが
駆動されてタービン出力が得られるようになっている。
そして、上記蒸気タービン4aを駆動した後の蒸気は複数
器５に供給され、冷却水ｄにより冷却液化されたのち冷
却水ポンプ６を介して上記給水予熱器3bに供給され、さ
らに蒸気発生器3cにより加熱されて高圧蒸気となる。

上記複合発電システムにおいて、ガスタービン発電系２
に供給する燃料ａは、燃料予熱器7a、燃料気化器7bで排
気が吸熱し、保有熱量を高めることができるが、これだ
けでは現実化する上では、非常に高価である触媒の量を
かなり多く必要とすることから経済的な問題がある。触
媒の量を多く必要とするのは、燃料気化器7bは、いろい
ろな機能を含んでいて、かつ実際に触媒が必要でない機
能部まで触媒が設けられているからである。

このようなから、本出願人は高価な触媒の量が少なくて
すみ、設備費が安価となる複合発電システムを先に出願
した。

第５図はこれを示す図であり、燃料ａは燃料処理システ
ムでガスタービン排気（反応器用排気）ｅと熱交換を行
ない、保有熱量を高めたのち主燃料ライン12aからガス
タービン発電系２に供給される。ガスタービン排気ｅ
は、燃料ａの消費量に見合うように分岐ダクト入口ダン
パ8bと分岐ダクト出口ダクト8cにより調整し、残りのガ
スタービン排気ｆは排気ボイラ系３で蒸気を発生させ、
これを蒸気タービン発電系４に供給させる。このよう複
合発電システムはガスタービン発電系２と蒸気タービン
発電系４で構成される。

一方、燃料処理システムはガスタービン排気ｅの流入側
より排気ｅの流出側に向かって過熱器12と反応器11と加
熱器10と蒸発器９と燃料予熱器7aを順次配置し、吸熱化
学反応に用いる触媒は反応器11にのみに内蔵する。蒸気
過熱器12と反応器11は各々過熱器12とガスタービン発電
系２の燃焼器１との間に過熱器バイパスライン12bと、
また反応器バイパスライン13を備え、これは運転調整に
使用する。反応器11に内蔵する反応触媒は、長時間使用
の間に性能低下を伴う場合があり、その場合は主燃料ラ
イン12aを用いて反応温度を高める。

以上のように第４図の従来の燃料気化器7bを複数の機能
部に分けて、化学吸熱を行なう反応器11のみに触媒を内
蔵させるだけであるので、従来のものに比べて触媒の量
が少なくてすみ、これにより設備費が安価となる。

ここで、上記のような複合発電システムにおいて、考え
られる触媒還元における温度制御方法について第６図を
参照して説明する。第６図は第５図の複合発電システム
に次にのべる還元装置系統が付加されており、14は循環
ブロア、15はドレンセンタ、16は還元ガス冷却器、DPT
は差圧変換器、PTは圧力変換器、TCは熱電対、Ａはガス
分析計、FIは流量計、ｉは冷却水、Ｙはドレン、Ｚはベ
ント、V₁はガスタービン側供給遮断弁、V₂はメタノール
供給元弁、V₃,V₄は反応器側供給遮断弁、V₅,V₆は還元装
置元弁、V₇はベント弁である。

次に、触媒還元操作手順について説明するが、はじめに
触媒初充填後の還元操作手順について説明する。

手順１…触媒を反応器11の各伝熱管内に充填し、配管ヘ
ッダーとの接続を復旧する。

手順２…ガスタービン側供給遮断弁V₁、メタノール供給
元弁V₂ならびに還元装置元弁V₅,V₆およびベント弁V₇を
全閉、反応器側供給遮断弁V₃,V₄を全開として、パージ
用窒素ガス（N₂）を例えばA,Bラインより反応器11側供
給する。そして、システムリークチェック後、ベント弁
V₇よりベントの系内窒素ガスを逃がし大気圧まで減圧す
る。このときガス分析計Ａで完全に触媒が窒素ガスに置
換されていることを確認し、ベント弁V₇を全閉する。

手順３…（１）まず、還元ガス冷却器16へ冷却水ｉを供
給できる状態にして還元ガスの温度制御系を働かせる。

（２）弁V₃,V₄,V₇を全閉し、弁V₅,V₆を全開し、さらに
触媒還元ガスとして窒素ガスＣ、水素ガスＤを供給でき
る状態にする。まず、窒素ガスＣを供給し、循環ブロア
14を起動する。

（３）系内が窒素ガス雰囲気であることを確認後、反応
器11を別途加熱する。このとき循環ガスの昇温速度は系
統暖機に適当な値例えば50℃/H以下に抑さえる。触媒還
元温度例えば150〜250℃を循環ガス温度の管理目標とす
る。

（４）次に、循環窒素ガス温度例えば150℃が安定すれ
ば、水素ガスが初値例えば１％となるように連続供給す
る。反応器11の入口と出口においてガス分析計Ａでガス
分析し、ガス中の水素濃度が等しくなるまで還元操作を
行なう。後、段階を追って水素濃度を上げ、最終段階で
所定の水素濃度で還元を行なう。この間、戻りのガス温
度例えば250℃で安定するように管理し、温度が超過す
るときは水素ガスＤの供給を制御する。

（５）反応器11の触媒還元が終了したら、ベント弁V₇を
開弁し、還元装置〜反応器11系内の還元ガスをベントと
しながら窒素ガスＣのみを供給して系内を窒素ガス置換
する。

（６）全系が窒素ガスＣで置換された状態で全系循環運
転すなわち、循環ブロア14〜反応器11〜還元ガス冷却器
16〜ドレンセパレータ15〜循環ブロア14系の運転を行な
う。

［発明が解決しようとする問題点］上記したように従来の触媒還元操作手順にあっては「還
元中反応器11は還元温度に維持」する必要がある。従来
の化工機では多くの場合、触媒加熱を採用しているため
還元温度の維持は熱媒の循環運転で対処している。排ガ
スからの直接伝熱を利用する複合発電システムでは次の
対策が必要である。

（１）別途設備を設けることなく、還元温度の維持を維
持を行ない、設備の節約を図ることができる対策であ
る。

（２）反応器11は大口径ダクト内に内蔵されており、各
伝熱反応管（触媒内蔵）が長尺となり、それだけ外部か
らの均一な加熱が難しくなるので、上流側の伝熱管を有
効に活用することにより、解決を図る対策である。

そこで、本発明は反応器を加熱するための別途設備を設
けることがなく、各伝熱反応管を均一加熱が可能となる
触媒還元における温度制御方法を提供することを目的と
する。

［問題点を解決するための手段］本発明は上記目的を達成するため、吸熱反応触媒を内蔵
する反応伝熱管に対して、その下流側に蒸気タービン発
電系を配置し、かつその上流側に過熱器、さらに上流側
に流量制御用ダンパ、最上流側にガスタービンを含むガ
スタービン発電系を配置した複合発電システムにおい
て、上記触媒初充填時必要となる還元操作での触媒加熱
を行う場合、第１手順として還元時必要となる加熱はガ
スタービン排気で行い、第２手順として加熱温度は上記
ガスタービンの負荷設定で制御し、必要な熱量は上記流
量制御用ダンパでガス量を制御して得るとともに、第３
手順として上記反応伝熱管入口の温度制御をよりきめ細
かく行うために上記過熱器に別途発生させた蒸気を投入
し、その蒸気流量を制御するようにした触媒還元におけ
る温度制御方法である。

［作用］上記のように反応器上流にあるガスタービンの排気を、
流量制御用ダンパにより制御して反応器の加熱源とする
ことができるので、反応器を加熱するために別途設備を
必要としない。また、過熱器に別途発生させた蒸気を流
し、所定のガス温度に調整して反応器に排気を供給する
ようにしたので、各伝熱反応管を均一に加熱できる。

［実施例］以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。第１図は反応器11と蒸気の使用状況を示すものであ
り、ガスタービン2aの排気は排気本管3aと排気分岐管8a
で２分され、これをボイラ系３と反応器11側に供給する
ことは第６図と同様である。蒸気タービン発電系４を高
効率で運転するために、ボイラ系３を複圧としてあり、
この伝熱管構成は、給水予熱管17、低圧蒸発管18、節炭
器19、高圧蒸発器20、過熱器21とからなっている。

Ｉガスタービンの運転このような構成のものにおいて、触媒還元操作の間、ガ
スタービン2aは長時間例えば数十時間、以下に述べるよ
うに一定条件で運転する必要がある。（Ａ）自立回転数
（すなわち定格回転数の約６割）、（Ｂ）無負荷定格回
転数、（Ｃ）最低連続可能出力点のいずれで、ガスター
ビン2aを維持するかガスタービン2aの耐力（Ａ）、発電
要求（Ｃ）により求められる。ガスタービン2aの排気は
（Ａ）＜（Ｂ）例えば320℃＜（Ｃ）の順で高温となる
ため、第２の温度調節要素として過熱器12の伝熱管に低
温の蒸気を流して冷却器として使用する。

一方、（Ａ）〜（Ｃ）の間の温度域で還元する場合は、
ガスタービン2aを（Ｃ）で過熱器12に低温の蒸気を流し
て使用する。

II設備使用方法上記の触媒還元操作の手順３にて必要となる「反応器11
の別途加熱」の方法について説明する。

手順１…反応器11の入口／出口の流量制御用ダンパ（8b
/8c）を全閉にてガスタービン系２を起動し、一定条件
に保持する。この場合、ガスタービン2aの排気は全量が
ボイラ系３に流れる。

手順２…ボイラ系３を複圧で作動させ、発生蒸気はバイ
パス弁V₁₁,V₁₃を全開し、主止弁V₁₀,V₁₂を全閉とし、全
量をタービンバイパス系統（高圧j/低圧ｉ）から、復水
器５へダンプする。ガスタービン発電系３が無負荷の場
合は低圧蒸気温度を100〜150℃にできる。

手順３…ガスタービン2aならびに蒸気発生の安定を確認
し、止弁V₈とV₉を全閉したのち、徐々に弁V₁₄を開き、
過熱器12に蒸気を流し、この過熱器12を出た蒸気は弁V
₁₅から低圧タービンバイパス系統へ合流させ、復水器５
にダンプする。また、蒸気温度調節は、高温の高圧蒸気
を必要に応じて弁V₁₇で制御して上記低圧蒸気と混合す
ることによって行なう。

手順４…反応器11に排気（無負荷では例えば約320℃）
を受ける入れるべく、ダンパ8b,8cを徐々に開いてい
く。このときの還元ガス（循環）の昇温速度は、触媒、
反応伝熱管等構造強度から決まる値例えば50℃/H以下に
抑える。

一方、ガスタービン2aを最低連続可能出力点以上の負荷
で運転する必要がある場合、排気温度ならびに低圧蒸気
温度が高くなるため、低圧タービン抽気を弁V₁₆で制御
して使用することが必要となる。

この場合も弁V₁₄,V₁₇を操作して低圧、高圧の蒸気を適
宜混合することによっても温度調節を行なう。

手順５…循環ガス温度が触媒還元温度（例えば反応器11
入口で150℃〜出口で250℃）となるようにダンパ8b,8c
の開度を決定する。温度の微調整は蒸気投入量（弁
V₁₄）を主とし、ダンパ8b,8cの開度と連動させて行な
う。

以上述べた各制御要素と反応器温度制御の関係を第２図
に示してある。

第３図は本発明の変形例を示すもので、別途媒体ｋ（蒸
気を含む流体すべて）を上流伝熱管に流しても上記実施
例と同様な効果が得られる。

（ｉ）は燃料過熱器12に媒体ｋを流すようにしたもの
で、排気分岐管8a以外に一つのダクト内に燃料側／蒸気
側の伝熱管が混在している場合に有効である。

（ii）は蒸気側過熱器21/燃料側過熱器12/反応器11に媒
体ｋを流すようにしたものである。

（iii）は燃料側過熱器12/蒸気側過熱器21/反応器11に
媒体ｋを流すようにしたものである。

（iV）燃料側過熱器12と蒸気側過熱器21は平行に並べこ
れらおよび反応器11にそれぞれ媒体ｋを流すようにした
ものである。

以上述べた例はいずれも全て反応器11の上流側に別途伝
熱管を配置したものであるが、これ以外にも種々変形例
が考えられる。例えば、蒸気は再熱している場合には再
熱器を活用することができる。また、媒体ｋは蒸気以外
でも使用でき、例えば蒸気であれば他の蒸気源から供給
を受けたり、あるいは上記第３図の（ii）〜（iV）下流
側に配置する蒸気系から供給するようにしても良い。ま
た、上記実施例に比べてさらに高効率をめざすには、混
圧（再熱）タービンを用い、再熱器を過熱器21に対して
平行配置して同じガス温度から熱回収を行なったり、あ
るいは伝熱計画によっては節炭器（第１図の19）を低圧
蒸発器18と給水予熱器17の間に設けるようにしてもよ
い。この場合には、構成要素としては高圧蒸発器20と低
圧蒸発器18を含むことは言うまでもない。

上記のように反応器上流にあるガスタービンの排気を、
流量制御用ダンパ8b,8cにより制御して反応器11の加熱
源とすることができるので、反応器11を加熱するために
別途設備を必要としない。また、過熱器12に別途発生さ
せた蒸気を流し、所定のガス温度に調整して反応器に排
気を供給するようにしたので、各伝熱反応管を均一に加
熱できる。

［発明の効果］以上述べた本発明によれば、反応器を加熱するための別
途設備を設けることがなく、各伝熱反応管を均一加熱が
可能となる触媒還元における温度制御方法を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実例を説明するための系統図、第２
図は第１図の制御要素と反応器の制御の関係を示す図、
第３図は本発明の変形例を説明するための図、第４図は
従来の複合発電システムの一例を示す図、第５図は先願
の複合発電システムの一例を示す図、第６図は第５図の
複合発電システムにおいて考えられる従来の触媒還元に
おける温度制御方法を説明するための図である。１……燃焼器、２……ガスタービン発電系、2a……ガス
タービン、2b……発電機、2c……圧縮器、３……ボイラ
系、3a……排気本管、４……蒸気タービン発電系、4a…
…蒸気タービン、4b……発電機、５……復水器、7a……
燃料予熱器、8a……排気分岐管、8b,8c……流量制御ダ
ンパ、９……蒸発器、10……加熱器、11……反応器、12
……過熱器、14……循環ブロア、15……ドレンセパレー
タ、16……還元ガス冷却器、17……給水予熱器、18……
低圧蒸発器、19……節炭器、20……高圧蒸発器、21……
過熱器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸熱反応触媒を内蔵する反応伝熱管に対し
て、その下流側に蒸気タービン発電系を配置し、かつそ
の上流側に過熱器、さらに上流側に流量制御用ダンパ、
最上流側にガスタービンを含むガスタービン発電系を配
置した複合発電システムにおいて、上記触媒初充填時必
要となる還元操作での触媒加熱を行う場合、第１手順と
して還元時必要となる加熱はガスタービン排気で行い、
第２手順として加熱温度は上記ガスタービンの負荷設定
で制御し、必要な熱量は上記流量制御用ダンパでガス量
を制御して得るとともに、第３手順として上記反応伝熱
管入口の温度制御をよりきめ細かく行うために上記過熱
器に別途発生させた蒸気を投入し、その蒸気流量を制御
するようにした触媒還元における温度制御方法。