JPH11515037A - エマルジョン燃料とそのガスタービンでの使用法 - Google Patents

エマルジョン燃料とそのガスタービンでの使用法

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JPH11515037A
JPH11515037A JP9509990A JP50999097A JPH11515037A JP H11515037 A JPH11515037 A JP H11515037A JP 9509990 A JP9509990 A JP 9509990A JP 50999097 A JP50999097 A JP 50999097A JP H11515037 A JPH11515037 A JP H11515037A
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Abstract

(57)【要約】 ガスタービンの新規な燃料として使用される炭化水素水中油型エマルジョン、特にナトリウムイオンが1ppm以下であるエマルジョンに関する。このエマルジョンをガスタービンの燃料として使用した場合にはローコストで比較的高効率の燃料となる。

Description

【発明の詳細な説明】 エマルジョン燃料とそのガスタービンでの使用法 本発明は、エマルジョン燃料とそのガスタービンでの使用法に関する。より詳 しくは、本発明は、原油から誘導される粘稠な炭化水素または直接製造される高 粘度グレードをベースするエマルジョン燃料およびそのガスタービンでの使用法 に関するものであるが、これらに限定されるものではない。 化石燃料による発電所には、蒸気熱発電所とガスタービン発電所の2つのカテ ゴリーに大別されると考えられる。前者では、燃料を燃焼してボイラー中の水を 加熱し、水蒸気を発生させてタービンを運転する。次いで、タービンは発電機を 運転して電気を発生させる。幾つかの場合、水蒸気は、その後凝縮されボイラー に回収されて再利用される(いわゆる“クローズドサイクル”)。蒸気熱発電所 における燃料の電気への変換効率は約30%程度と低くなり得る。 ガスタービン発電所では、ガスまたはオイルのような燃料をガスタービンの燃 焼機で燃焼させ、得られた燃焼ガスはタービンを運転して発電機を運転する。こ のプロセスの効率は比較的低く(約30%)、そのため多くのガスタービン発電 所では、燃焼熱ガスを利用して、水を加熱して水蒸気とし、次いで更に発電機を 運転する追加の工程を含む。この追加の工程はクローズドサイクルに含めてもよ い。第二の工程によりガスタービン発電所の効率が50%以上にまで向上する。 このようなシステムは“複合サイクル”システムとして知られている。 製油装置における底部留分は、常圧蒸留や減圧蒸留後に残留する残渣物質であ り、有用な製品への原油の部分転化として他のプロセスが精油所で実施されてき た。発電所では上記底部留分を燃焼させることにより利用できる。都合の悪いこ とに、これらの残渣物質は高粘度であるために取り扱いの便が悪く、燃料油成分 として利用する場合は、原油の蒸留時に得られるより価値の高い製品と共に通常 “カットバック”される。製油装置における底部留分の品質は、大部分が元の原 油の品質に依存している。また、製油装置の底部留分を燃料として利用するとき のコスト効果は、その底部留分を最終的に処分しなければならないためこの利用 に関しての選択の余地はあまりないが、原油の蒸留により得られ底部留分と共に カットバックされるはずのより利用価値のある成分(more valuable components )の割合に依存する。 一般に、原油の若干の望ましくない成分が製油装置の底部留分に濃縮されやす いことは避けがたい。これらの望ましくない成分としては、硫黄やバナジウム、 ニッケル等の重金属などがある。これらの成分は、酸化硫黄や酸化バナジウム等 の望ましくない燃焼生成物が発生することになり、発電所からの排出物中に見い 出すことができる。一般的に、これらの排出物は、大気中に放出される前に除去 する必要がある。このいわば余分な処理は液体燃料のエネルギーへの全変換効率 を低下させることになる。 高い変換要因でもって電気を発生させるためには、当然のことながら、製油装 置の底部留分すなわち原油の精製処理から残った生成物を効果的に利用できるこ とが大いに望ましい。 水分を大量に含むエマルジョン燃料は、製油装置における底部留分に比べて取 り扱いが容易である。これに関連して、粘度を77°F(25℃)で150S. S.F.以下としたエマルジョンを60vol%含有する高粘度の石油からなる 水中油型のエマルジョン燃料が、英国特許第974,042号明細書に言及され ている。この英国特許第974,042号明細書には、上記水中油型エマルジョ ンを慣用の蒸気熱式燃焼器に使用する方法が提案されている。 また、先行技術として、ドイツ特許出願公開第2,757,419号明細書に は、水分含量が3〜8%の油中水型エマルジョンをガスタービンに使用する方法 が提案されている。このエマルジョンは連続油相に液状の水滴を構成していて、 少なくとも製油装置の底部留分の使用を意図する限りにおいて、ベース燃料とし て製油装置の底部留分から製造される油中水型エマルジョンは、上記ベース燃料 から製造される水中油型エマルジョンよりかなり高粘度であると考えられる。実 際、油中水型エマルジョンの粘度とベース燃料自体の粘度との有意な差は殆どな いであろう。 本発明の第一の態様においては、1ppm以下のナトリウムイオンを含有する ことを特徴とするガスタービンの燃料として使用する炭化水素系の水中油型エマ ルジョンを提供することにある。 本発明の第二の態様によれば、タービンの燃焼機で炭化水素系の水中油型エマ ルジョンを燃焼させることからなるガスタービンの運転方法を提供することにあ る。 本発明の第三の態様によれば、タービンの燃焼機で水中油型エマルジョンを燃 焼させることによって、ガスタービンの運転に炭化水素系の水中油型エマルジョ ンを使用する方法を提供することにある。 オイルは、ガスタービンの燃料として水中油型エマルジョンとした製油装置の 底部留分物質により特徴づけられる物理特性を有する製油装置の底部留分物質ま たは炭化水素系のオイルからなることが好ましいが、本発明のこの態様は上記オ イルに限定されないことを理解すべきである。実際、ディーゼル等の低密度のオ イルを水中油型エマルジョンとして使用することもできる。 過剰のナトリウムイオン含有のオイルを乳化および/または洗浄するための源 となる水としてナトリウムイオンが1ppm以下の水を用いることにより、水中 油型エマルジョンはナトリウムイオン含量を1ppm以下とすることができる。 実際には、本発明は脱イオン水または低ナトリウムイオン含量の他のいかなる水 を包含してもよい。本発明によれば、“水中油型エマルジョン”なる用語は、そ の範囲内で水/アルコール中油型エマルジョンを含むものとして理解されるべき である。 本発明は、特に下記の好ましい特性を有する油相を水中油型エマルジョンにお ける使用を指向している。オイルは密度が15℃で750〜1050kg/m3 の範囲にあることが好ましく、980〜1020kg/m3の範囲にあることが より好ましい。25℃でのオイルの動粘度(動粘性率)は、5×103〜5×1 06cStの範囲にあることが好ましく、20℃で1×104〜1×106cSt であることがより好ましい。更に、オイルのナトリウム、バナジウムおよびニッ ケル含量は、それぞれ0〜500ppm(本発明の第一の態様においては100 ppm以下)、0〜600ppmおよび0〜150ppmの範囲にあることが好 ましく、それぞれ0〜10ppm、0〜100ppmおよび0〜20ppmであ ることがより好ましい。 上記特性を有する粘稠な炭化水素は広範囲にわたる。すなわち、軽質、中質、 重質および極重質原油、ビチューメン(天然および合成品を含む)、いかなる文 献に記載があってもよい精製残渣油(例えば、燃料油、常圧、減圧、ビスブレー カ、減圧フラッシュビスブレーカ、沈殿アスファルト)、ピッチおよび特にター ルボンドから得られるタール等を使用することが可能である。 炭化水素中には、0〜100重量%、好ましくは0〜20重量%の量のアスフ ァルテン;0〜30重量%、より好ましくは0〜10重量%の量のワックス;お よび、0〜6重量%、より好ましくは0〜4.5重量%量の硫黄を含有していて もよい。 既に述べたように、原油の処理の結果として、水中油型エマルジョンに用いら れるオイルを製造することができる。一般的な当該処理は次のとおりである。原 油は処理を行う精製所に輸送される。脱塩等の処理を経た後、原油を常圧蒸留に 付す。すなわち、原油を蒸留して生成物を回収するまでの間原油を常圧下で加熱 する。この処理から得られる利用価値ある軽質生成物(valuable light product s)としては、ガソリン、灯油およびガスオイル等がある。この処理から得られ る利用価値の低い残渣生成物(less valuable residual products)は、水中油 型エマルジョン製造の供給原料としてあるいは減圧蒸留塔に回されるかのいずれ かに使用することができる。後者の場合、残渣生成物を更に加熱に付すことにな るが、この時は減圧下に加熱する。再度、より軽質の生成物(lighter products )も粘稠な残渣生成物と同様に製造される。後者は、再び水中油型エマルジョン 製造の供給原料として用いられるか、あるいはビスブレーカを経て追加の処理に 振り向けられてもよく、そしてアスファルト製造装置に導入されることも可能で ある。どのような処理が選ばれようとも、残渣廃棄物質(resudual waste mater ials)は各段階で常に製造されるであろうが、求めるエマルジョン燃料の製造に 利用することができるのはこの物質なのである。 該廃棄物質はいかなる好適な温度でも貯蔵することができる。しかし、水と混 合して水中油型エマルジョンを形成するためには約100℃に冷却/加熱しなけ ればならない。 水中油型エマルジョン燃料の代表的な供給原料にアラビア原油(軽質、中質ま たは重質)から製造される残渣がある。アラビアライト(Arabian Light)原油 の 減圧残渣は、下記の代表的な化学物理特性を有する。 C−85.0重量%;H−10.7重量%;N−0.34重量%;S −3.9重量%;灰分−0.01重量%;バナジウム63ppm;ニッケル17 ppm;鉄1ppm;ナトリウム1ppm未満(<1ppm);比重 6〜10 °API;100℃での粘度 350cSt。 代替供給原料としては、アルバータまたはベネズエラのオリノコ地帯等で産出 される天然のビチューメンが挙げられる。ベネズエラ産の天然のビチューメンに ついては、米国特許第4,801,304号明細書に分析の詳細が示されている 。 水中油型エマルジョンを形成する代表的な方法において、流動性の少ない液状 炭化水素系廃棄物残渣(still fluid hydrocarbon waste residue)または直接 製造される炭化水素を次の場所にポンプで移送され、そこで水と原料が混合され る。この混合は、例えば界面活性剤および/またはポリマーのようにオイルと水 の界面張力を低下させる物質と水を、静止型ミキサー、直列型機械ミキサーまた は双方を組み合わせたミキサーを用いて濃縮される。 製造される水中油型エマルジョンは、オイルと水の重量比は、65:35〜9 0:10の範囲が一般的な例であり、70:30〜85:15の範囲にあること が好ましいであろう。油滴の大きさは、200μmまで好ましくは100μmま での範囲になるよう考慮すべきである。油滴の大きさは広範なパラメータの範囲 内で変動してもよいが、エマルジョンが直径150μm以上の油滴を3重量%以 下、より好ましくは2重量%(w/w)以下含有することが望ましい。エマルジ ョン自体の密度は、15℃で825〜1050kg/m3の範囲にあることが好 ましく、980〜1020kg/m3の範囲にあることがより好ましいであろう 。また、粘度は25℃および100sec-2以下で2000cSt以下、特に1 000cSt以下であることがより好ましいであろう。本発明に従って運転する ことにより、グロス発熱量が28〜32MJkg-1より好ましくは29〜31M Jkg-1、およびネット発熱量が26〜30MJkg-1好ましくは27〜29M Jkg-1の液体燃料を製造することが可能である。 本発明の実施に際して用いられる最も好ましい水中油型エマルジョンは、水分 含量が約30重量%、油滴の大きさが平均10〜70μmの範囲、および、水溶 性であることが好ましく、より好ましくは硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム 等のマグネシウム塩、アルカリ金属含量が100ppmまでの燃焼向上添加剤( combustion-improving addictive)を特徴とする。 エマルジョンを製造する際に界面活性剤を利用する場合は、アニオン界面活性 剤、非イオン界面活性剤およびカチオン界面活性剤から選択されてよく、さらに これらの混合物であってもよい。界面活性剤は、炭化水素系残渣に対して0.1 〜5.0重量%の範囲、好ましくは炭化水素系残渣に対して0.1〜1.0重量% の量で添加される。本発明のプロセスに使用される好適な非イオン界面活性剤と しては、エトキシ化アルキルフェノール類、エトキシ化アルコール類、エトキシ 化ソルビタンエステル類等およびこれらの混合物が挙げられる。使用されてよい カチオン界面活性剤としては、脂肪族ジアミン類、イミダゾリン類、エトキシ化 アミン類、アミド−アミン類、第四級アンモニウム化合物の塩酸塩等およびこれ らの混合物が挙げられる。使用されてよいアニオン界面活性剤としては、エステ ル化された長鎖カルボン酸類、硫酸エステル類、エステル化されたスルホン酸類 等およびこれらの混合物が挙げられる。好ましいアニオン界面活性剤は、アルキ ルアリールスルホン酸塩類、アルキルアリール硫酸塩類およびこれらの混合物な どがあげられる。 水中油型エマルジョンの製造には、様々な特定の方法が利用可能である。特定 の方法の1つがWO85/03646に記載されている。該方法によれば、往復 動が毎秒10〜1000の小さな剪断条件下に混合を生じさせて、薄膜状の界面 近くに分離した平均直径が2〜50μmの範囲にある大きく歪んだ油滴からなる エマルジョンを形成するというものである。別の方法が英国特許第2,262, 054号明細書に開示されている。同明細書には、大きさが10〜40μmの範 囲にある比較的大きな油滴と5μm以下またはそれと同程度の範囲にある小さな 油滴とを含有する2つの状態にある水中油型エマルジョンの製造について記載さ れている。エマルジョン形成の更に別の方法は、先に述べた英国特許第974, 042号明細書から公知である。 製造される水中油型エマルジョンは、直ちに使用するか、あるいはパイプライ ン、平底荷船または大洋航海船によって輸送される前に一旦貯蔵され、ガスター ビンで燃焼すべき燃焼施設のある場所で再度貯蔵される。 本発明のひとつの態様によれば、エネルギーに変換されるガスタービンの燃焼 室にエマルジョンを供給する。 ガスタービンとしては、廃ガスを直接大気中に放出する開放サイクル(open c ycle)で運転するガスタービンと、廃ガスを大気に放出する前に廃ガスを熱回収 用蒸気発生機に通して残余の熱を抽出する複合サイクル(combined cycle)で運 転するガスタービンとの2つのタイプのものを使用することができる。開放サイ クルで運転するガスタービンにおいて燃焼される水中油型エマルジョンの熱効率 は、一般に慣用の蒸気熱発電所のものと同程度、すなわち施設の設計および運転 条件に依存するが約30%と40%の間にある。しかし、水中油型エマルジョン を燃焼させる好ましい形態は、約40%と50%強(+50%)の間の熱効率を 達成することができる複合サイクルでのガスタービンである。 タービンの設計に依存する温度と圧力で乱流状に拡散した火炎と共に、エマル ジョン燃料の燃焼が進行する。燃料中の水の存在は、火炎のピーク温度および燃 焼の初期の段階において必要とする酸素量を低下させる。したがって、熱と燃料 の双方から派生するNOxの生成が、等量の重質燃料油または油中水型エマルジ ョンで達成されるレベルより低減される。 タービン羽根の腐蝕につながる五酸化バナジウムの生成を低減させるために、 水溶性またはより高価な油溶性のマグネシウム化合物が燃料とは別に燃焼室のち ょうど上流に向けて従来どおり燃料中に注入される。これらのマグネシウム化合 物は次の2つの目的に適う。すなわち、第一に上記のようにこれらを必要とする ならば燃料の粘度変性剤として、第二にタービン羽根の保護に欠かせない重要な 腐蝕防止剤としてそれぞれ有用である。しかし、水中油型エマルジョンには、エ マルジョンが形成されたときにより安価な水溶性のマグネシウム化合物を添加で きるという有利さがある。それ故、不可欠な添加防止剤と水中油型エマルジョン を共に使用することにより、燃焼段階で防止剤を添加するために設けられる追加 の装置が不要となる。 製油装置の底部留分は硫黄含量が高いため、二酸化硫黄および三酸化硫黄が、 製油装置の上記底部留分から形成される水中油型エマルジョンの燃焼中に生成し て、廃ガス中に存在するであろう。したがって、適当な排気ガス脱硫(FGD) プロセスにより廃ガスを処理することができる。このプロセスは複合サイクルプ ラントのすぐ下流側で行われる。 その概要として、水中油型エマルジョンの製造と使用における様々な段階を示 すフロー図である添付図面を参照されたい。 最初の段階では油田で原油が産出される。次いで、エマルジョンの形成に用い られる残渣を製造するために製油所または油田で原油を処理する。これに代えて 、例えば重質、極重質または天然のビチューメンを直接抽出した物質からエマル ジョンを形成することができ、この場合精製所での段階を省略することができる 。次に、水中油型エマルジョンを製造する。これは精油所または発電所であるい は直接製造される物質の場合は油田で行われる。その後、得られた水中油型エマ ルジョンを燃焼してエネルギーを発生させる。更に、複合サイクルにおける二次 電気発生段階の廃熱ボイラーで蒸気を昇温させるために廃ガスが用いられる。最 後に、大気に放出する前に排気ガス脱硫装置で燃焼ガスが清浄化される。 本発明に従って行う作業によって、水中油型エマルジョンの使用が従来考慮さ れていなかった分野では、上記エマルジョンを扱う作業について利益がもたらさ れる。 このように、水中油型エマルジョンのベース燃料として製油装置における高粘 度の底部留分を利用すると、ベース燃料または該燃料から製造される油中水型エ マルジョンのいずれよりも、上記エマルジョンは著しく粘度が低いので、その取 り扱い性の容易さからもたらされる利益がある。また、水中油型エマルジョンは 燃焼機の上流側に負圧(lower line pressures)が引き起こされる。水中油型エ マルジョンは粘度が低いので、ベース燃料または油中水型エマルジョンを用いた ときと同程度に燃焼機の上流ライン(lines upstream)を加熱する必要がない。 より詳しくは、ガスタービン燃焼において、今まで実用的かつ経済的な適性が 見られるオイルと比べて、好ましい態様では、安価で低品質の濃厚で粘稠なオイ ルが利用される。水中油型エマルジョン用燃焼機での粘度の想定される上限値は 約15cStであろう。 燃焼特性に関する限り、燃焼がガスタービン内で行われているときに存在する 燃料は予め霧状になるという性質があるため、非常に良好な炭素の燃焼性を達成 することができる。燃料中の水の存在は、前述したように、火炎のピーク温度を 低下し、これに伴ってNOxおよび生成される微粒子の量が減少する。しかも、 水中油型エマルジョンを用いると、油中水型エマルジョンあるいは水分を全く含 まない重質または粘稠な燃料を用いたときと比較して、タービン羽根を清浄化す る頻度が少なくて済む。燃焼添加剤に関する限り、油溶性の燃焼添加剤よりかな り安価な水溶性の燃焼添加剤を使用することが可能である。 タービン羽根の腐蝕を最小限にくい止める目的で、1ppm以下のナトリウム イオンを含有する水中油型エマルジョンの使用が望ましいことが判明した。 要約すると、本発明によれば、ガスタービンの運転において今まで実用的かつ 経済的な使用が以前真剣に省みられなかった低コストのエネルギー源を利用でき る。複合ガスタービン蒸気の場合または他の二次サイクルが配置されている場合 、燃料をエネルギーに変換する際、ガスタービンは従来の蒸気熱発電所より高い 変換効率を達成する。また、低コストの炭化水素源の使用による高められたコス トの成果に伴って、ガスタービンの運転は特に経済的である。上記低コストの炭 化水素源の使用とは、幾つかの適用において、開放サイクルのガスタービンの運 転にエマルジョン燃料を使用することが経済的であることを意味する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU, CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,H U,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD, MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,P T,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,TJ ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN (72)発明者 アラン・ストックウェル イギリス国、GU21 2LD、サリー州ウ ォーキング、ナップヒル、レイベンス・ク ロス 7

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.ガスタービン中で燃料として用いられる炭化水素系水中油型エマルジョンに おいて、1ppm以下のナトリウムイオンを含有することを特徴とする炭化水素 系水中油型エマルジョン。 2.炭化水素系水中油型エマルジョンが脱イオン水中油型エマルジョンである請 求の範囲第1項に記載のエマルジョン。 3.オイルの密度が15℃で750〜1050kg/m3、好ましくは980〜 1020kg/m3の範囲である請求の範囲第1項又は第2項に記載のエマルジ ョン。 4.オイルが20℃で5×103〜5×106cSt、好ましくは1×104〜 1×106cStの動粘性率を持つ、前記の請求の範囲に記載のエマルジョン。 5.オイルがバナジウムとニッケルをそれぞれ0〜600ppm及び0〜150 ppm、好ましくはそれぞれ0〜100ppm及び0〜20ppmの範囲で含有 する前記の請求の範囲に記載のエマルジョン。 6.オイルが軽質、中質、重質、極重質の原油、ビチューメン、燃料油、常圧、 減圧、ビスブレーカ、減圧フラッシュビスブレーカ、沈殿アスファルト、ピッチ およびタールから選ばれる精製残渣油である前記の請求の範囲に記載のエマルジ ョン。 7.オイルがアラビア原油の軽質、中質、または重質油である前記の請求の範囲 に記載のエマルジョン。 8.油:水の重量比が65:35〜90:10、好ましくは70:30〜85: 15の範囲である前記の請求の範囲に記載のエマルジョン。 9.油滴のサイズが200μmまで、好ましくは100μmまでである前記の請 求の範囲に記載のエマルジョン。 10.サイズが直径150μmより大きい油滴が、3重量%以下、好ましくは2 重量%以下含有される前記の請求の範囲に記載のエマルジョン。 11.15℃で825〜1050、好ましくは980〜1020kg/m3の密 度を持つ前記の請求の範囲に記載のエマルジョン。 12.25℃、100sec−1で、2000cSt以下、好ましくは1000 cStの粘度を持つ前記の請求の範囲に記載のエマルジョン。 13.総発熱量が28〜32MJkg−1、好ましくは29〜31MJkg−1 で、単位発熱量26〜30MJkg−1、好ましくは27〜29MJkg−1で ある前記の請求の範囲に記載のエマルジョン。 14.炭化水素系油に対し0.1〜5.0重量%の界面活性剤を含有する前記の 請求の範囲に記載のエマルジョン。 15.加えて水溶性又は油溶性マグネシウム化合物をも含有する前記の請求の範 囲に記載のエマルジョン。 16.タービンの燃焼室中で炭化水素系水中油型エマルジョンを燃焼させるガス タービンの運転方法。 17.該エマルジョン中の水が1ppm以下のナトリウムイオンを含有する請求 の範囲第16項に記載の方法。 18.エマルジョンが水溶性又は油溶性マグネシウム塩を含有し、アルカリ金属 の成分量が500ppmまでの請求の範囲第16項に記載の方法。 19.請求の範囲第1項〜第15項のいずれかに記載の炭化水素系水中油型エマ ルジョンを燃焼させることを含有してなる請求の範囲第16項に記載の方法。 20.炭化水素系水中油型エマルジョンをガスタービンの燃焼室で燃焼させるこ とによるガスタービンの運転における炭化水素系水中油型エマルジョンの使用。 21.請求の範囲第1項〜第15項のいずれかに記載のエマルジョンである請求 の範囲第20項の使用。 22.ガスタービンの運転における炭化水素系水中油型エマルジョンの使用が開 放サイクルにおいて操作されるガスタービンである請求の範囲第20項又は第2 1項に記載の方法。 23.ガスタービンの運転における炭化水素系水中油型エマルジョンの使用が、 蒸気タービンを運転に実用されているタービンの燃焼室からの加熱ガス(hot ga s)により複合サイクルにおいて操作されるガスタービンである請求の範囲第2 0項又は第21項に記載の方法。
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