JPS63100230A - 炭素質燃料から発電する方法 - Google Patents

炭素質燃料から発電する方法

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は炭素質燃料の部分酸化を用いて炭素質燃料から
動力とくに電力を発生する方法に関するものである。
本発明は、炭素質燃料を酸素または酸素含有ガスで部分
酸化して、一酸化炭素を大気圧以上の圧力で含むガス流
を発生する過程と、前記ガス流を膨張させて動力を発生
する過程と、膨張させられたガス流の少くとも大部分を
更に酸素または酸素含有ガスでほぼ完全に酸化して更に
動力を発生させる過程とを備える炭素質燃料から発電す
る方法において、膨張の前に、前記ガス流に対して一酸
化炭素シフト反応を施すことにより、前記ガス流中の一
酸化炭素の少くともいくらかを二酸化炭素および水素に
変え、そのシフト反応の熱の少くともいくらかを用いて
膨張前のガス流を予熱することを特徴とする炭素質燃料
から発電する方法を提供するものである。
シフト反応過程の前にガス流を水で冷却し、前記シフト
反応のためのスチームのうちの少くともいくらかを冷却
水から得るようにするとよい。シフト反応の後でガス流
の温度膨張の前に上昇させるようにすることが好ましい
。反応させて、膨張させたガス流を処理して、ガス流の
少くとも一部を発電のための燃料として用いる前に硫黄
酸化物を除去するとよい。このようなシフト反応の熱の
いくらかが膨張前のガスを予熱するために用いられても
よい。
（従来の技術） 炭素質燃料の部分酸化を基にしており、一酸化炭素とス
チームを反応させて二酸化炭素と水素を発生させる動力
発生方法がいくつか知られている。
この反応、水−ガスシフト反応としてしばしば知られて
いるこの反応は、一酸化炭素と比べて水素量を多くする
ことが望ましく、それと同時に二酸化炭素の量が増すこ
とが望ましくないような合成ガス製造において良く知ら
れている。
ＥＰ−Ａ−９５２４にはそのような方法が開示されてい
るが、この場合には二酸化炭素は除去しなければならな
い不純物である。
米国特許第４，０７４，９８１号明細書（２欄２９行）
には、その米国特許明細書に開示されている発明により
製造されたガスの種々の用途が記載されている。合成ガ
スの場合には、水素および一酸化炭素の瓜が最大にされ
るが、そのことは二酸化炭素が最少であることを意味す
る。還元ガスとして使用するためには、二酸化炭素は最
少であるように述べられている。大きな発熱値を有する
燃料ガスとして使用するために水素、一酸化炭素および
メタンが最大にされる。このことは二酸化炭素が最少で
あることを再び意味する。
米国特許第４．２０２．１６７号明細書には、シフト反
応により発生された二酸化炭素を使用することが開示さ
れているが、シフト反応の後で、生ガスを最終的に燃焼
させる前に、生ガスを膨張させることにより動力の回収
が可能であるという認識には欠けている。
スイス特許節２５０，４８７号明細書にはガス発生器と
ガスタービンの燃焼室の間に膨張器を使用することが開
示されている。
米国特許第３，７２０，６２５号明細書には水素とアン
モニアの少くとも１つを製造し、シフト反応を従来のよ
うに使用する方法が開示されている。
〔発明の概要〕
本発明により、炭素質燃料を酸素または酸素含有ガスで
部分酸化して、一酸化炭素を大気圧以上の圧力で含むガ
ス流を発生する過程と、前記ガス流を膨張させて動力を
発生する過程と、膨張させられたガス流の少くとも大部
分を更に酸素または酸素含有ガスでほぼ完全に酸化して
更に動力を発生させる過程とを備える炭素質燃料から発
電する方法において、膨張の前に、前記ガス流に対して
一酸化炭素シフト反応を施すことにより、前記ガス流中
の一酸化炭素の少くともいくらかを二酸化炭素および水
素に変え、そのシフト反応の熱の少くともいくらかを用
いて膨張前のガス流を予熱することを特徴とする炭素質
燃料から発電する方法がｉｒ７られる。
シフト反応過程の前にガス流を水で冷却し、前記シフト
反応のためのスチームのうちの少くともいくらかを冷却
水から得るようにするとよい。シフト反応の後でガス流
の温度膨張の前に上昇させるようにすることが好ましい
。反応させて、膨張させたガス流を処理して、ガス流の
少くとも一部を発電のための燃料として用いる前に硫黄
酸化物を除去するとよい。
本発明においては、従来の周知のいくつかの方法（たと
えば米国特許第２，９９２，９０６号）により、圧力を
かけて部分酸化により炭素質燃料をガス化できる。それ
らのｈ″法は、酸素金白°ガスたとえば空気、または好
ましくはほぼ純粋の酸素流で炭素質燃料をガス化するこ
とを通常含む。
１　（１００〜１６００℃台の温度に達する。この部分
酸化の圧力は１５〜２５０バールの範囲とすることがで
きるが、４０〜１５０バールの範囲になりやすい。適当
な炭素質燃料の例には原油、石炭、天然ガス、ナフサ、
燃料用重油等である。亜炭も使用できる。
シフト反応を促進するために通常用いられる触媒が詰ま
ることを避けるために、部分酸化反応器からの高温ガス
流を一酸化炭素と反応させる前に、その高温ガス流中に
含まれている粒子状物質を除去することが好ましい。も
っとも保ｊ床（ｇｕａｒｄｂｅｄ　）を使用することも
できる。フィルタのような従来の任意の方法を使用でき
るが、たとえば静電集塵、水洗い、サイクロン、フィル
タのような従来の任意の方法を使用できるが、粒子状物
質を洗い流すようにして水冷することにより粒子状物質
を除去することが好ましい。部分酸化反応の後で水冷す
ることにより、部分酸化反応器の動作圧の融通性を非常
に大きくでき、更に重要なことは、使用する炭素質燃料
の種類とくに石炭の種類についての融通性が高くなる。
部分酸化反応器からのガスはボイラ内で冷却でき、また
は膨張前に冷却できる。
多くの燃料には硫黄が含まれているから、ＦＡ黄除去過
程を一般に必要とする。この硫黄除去過程は最終的な燃
焼の前に行う。
シフト反応器と膨張器の少くとも一方の前に硫黄化合物
を除去することが可能である。しかし、現在の硫黄除去
装置は比較的低い温度で動作する。
それらの温度は、高温ガスを冷却した後に存在するスチ
ームのほとんどが凝縮するような温度である。その後で
一酸化炭素をスチームと反応させるために、スチームを
付加せねばならない。
硫黄化合物の除去に際しては二酸化炭素がいくらか除去
されることがあるが、最初に存在していた二酸化炭素を
できるだけ多量に保持することが経済的で望ましい。
これは本発明の望ましい部分である。ガス中に含まれて
いる二酸化炭素は、ガスが燃料として燃焼される時に生
ずるＮＯを減少させる。また、二酸化炭素が膨張すると
、シフトの後でガスが膨張させられた時、およびガスが
最終的に燃焼させられた時に動力が発生される。
シフト反応に必要な水またはスチームは、水またはスチ
ームを部分酸化反応器に加えること、部分酸化反応過程
における反応と、部分酸化反応の後の冷却過程と、水ま
たはスチームの直接添加との少くとも１つにより生じさ
せることができる。
本発明の好適な実施例においては、一酸化炭素と反応さ
せるため、および反応の終期に留ってシフト反応を届望
のように平衡させるために必要な水またはスチームのい
くらかが、冷却水を部分酸化反応器から出る非常に高ｌ
Ｈのガス中に蒸発させた結果として加えられる。これに
より、部分酸化反応器からの高；Ｈガスを一層容易に取
扱うことができるように、それらのガスを冷却できると
いう利点も得られる。冷却については、冷却水の部分的
な蒸発または完全な蒸発が行われることがある。
しかし、上述の理由から部分蒸発が好ましい。
一般に、シフト反応触媒は機能を維持するために水を必
要とする。典型的には、触媒中に入る水と乾燥ガスのモ
ル比は０．３〜１．７の範囲であるが、０．５〜１．２
が好ましい。それからガスは断熱的に反応することが一
層［される。最近の触媒では流出ガスはシフト反応平衡
に非常に近づく。
シフト反応は酸化Ｃｒが混合され、ＫＳＴｈ。
ＵＳＢｅまたはｓｂのような他の金属の酸化物の１〜１
５ｗｔ０％により促進される酸化鉄を含むことができる
。反応は２６０〜５６５℃（５００〜１５００丁）で起
る。
シフト反応の後で膨張が起る。シフト反応中に放出され
た熱がガス流の温度を上昇させ、それにより膨張を一層
効率良くするから、ガスはそのシフト反応の直後に膨張
させることが好ましい。しかし、そのガス流をシフト反
応過程と膨張過程の間で更に加熱することを、たとえば
、ガスを更に部分酸化することにより、または下流側の
ガスタービンの排気対流加熱領域内で加熱することによ
り行うことができる。あるいは、膨張の前にガスを間接
的に加熱するためにシフト反応の熱を使用できる。
シフト反応器への原料を予熱するために膨張させられた
ガス流を使用できる。
シフトと膨張の間でガスを冷却させてもある利点が１積
られる（好適な実施例では全く冷却しないが）。したが
って、シフトさせられたガスが、膨張の前に２０４℃（
４００下）まだ、好ましくは３３０℃以下でない、任意
の温度まで冷却された時にも本発明は応用できる。
動力発生方法においてシフト反応と膨張の組合わせを使
用することから、上記のようないくつかの利点が得られ
る。
（ａ）　　存在する硫化カルボニル（ＣＯＳ）のいくら
かが硫化水素と同時に反応させられ、それにより硫黄を
一層容易に除去できる。
（ｂ）　　ガスの火炎温度（ｆｌａＩｌｅ　ｔｅｍｐｅ
ｒａｔｕｒｅ　）を大幅に低くして、形成された窒素酸
化物（Ｎｏ　　）の量を減少させるという非常に重要な
利点が得られる。これにより酸性雨が減少する。
（ｃ）　　（ｂ）項は、ＮＯの生成を減少させるために
、燃焼させるガス流の火炎温度を低くするように、その
ガス流に加える水またはスチームを大幅に減少させ、ま
たは水やスチームを全く加えないことを意味する。これ
によりタービン翼の寿命を長くできる。
（ｄ）　　ガス流を膨張させる前にそのガス流を予熱す
るために発熱シフト反応を有用に使用できる。
電力はガスタービンを用いて行うことができ、その場合
にはスチーム装置を使用することもある。
スチームは本発明の適当な任意の段階、たとえば使用し
ているガスタービンの排気段階で発生させることができ
る。
ガスを最終的に燃焼させる時に発生される窒素酸化物（
Ｎｏ’　）の量を一層減少させるために、燃料ガスを水
で飽和させることができる。更に、高温の燃料ガスを燃
焼器へ供給するために、その飽和の前後の少くとも一方
の時にスチーム飽和燃料ガスを加熱でき、あるいはスチ
ーム飽和させずに（または水やスチームを添加すること
なしに）燃料ガスを予熱できる。
（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。
ここで説明する実施例においては、張込み原料は硫黄含
Ｈ率が２〜３重量％である重質原油と水のエマルジョン
である。
装置の実用的な寸法では、実際のプラントは、１つの対
流領域（ｃｏｎｚｏｎｅ　）へ連結されている３つの平
行なガスタービンラインに並列に供給する２つのガス発
生ラインで構成される。しかし、説明を簡単にするため
に、下記の例はプラント全体を通じて１つのガス発生ラ
インを基にする。
張込み原料エマルジョンを、部分酸化装置内で７０バー
ルの圧力において９９．５％の純酸素と反応させる。そ
の結果得られたガス混合物を過剰の水、すなわち全ての
水が蒸発できないような量の水、を用いて６０バールの
圧力および２４４℃の温度における飽和状態まで冷却す
る。部分酸化装置および冷却を第１図Ａにブロック１０
で示す。
したがって、その冷却過程はガス冷却過剰に加えてガス
水洗い過剰である。
冷却の後のガスは表１に流れ１として示されているもの
である。そのガスを２３２℃まで冷却する。その冷却に
より、そのガスの熱量を用いてボイラ１１内でスチーム
を１時間当り約４５トン発生できるという直接の利点が
得られる。そのスチームは、２０バールという比較的高
い圧力のボイラ給水（ＢＦＷ）とともに供給される。冷
却されたガスから凝縮された水をドラム１２の内部で除
去し、スチームと乾燥ガス比が１．０である生ガスを残
す。除去した水はポンプ２０により部分酸化装置１０へ
冷却水として再循環させる。熱交換器１３において予熱
したガス（表１の流れ２）を３３０℃の触媒シフト反応
器１４に入れる。そうするとシフト反応が断熱的に生じ
て、５０８℃、約５８バールのシフトされたガス（表３
の流れ）が生ずる。シフトされたガスは高温ガス膨張器
１５を通って約２８バールおよび３９６℃まで直ちに低
下させられ、それにより２５ＭＷの電力を発生する。
膨張させられたガスは熱交換器１３と１６において２０
０℃まで冷却する。その冷却により除去された熱を用い
て、シフト反応器１４への原料を予熱するとともに、生
成燃料ガスを熱交換器１６において加熱してからその生
成燃料ガスを最終的に燃焼する。熱交換器１３を出たガ
スの温度は２９５℃である。それから、冷却され、シフ
トされたガスを別の触媒反応器１７に入れる。その触媒
反応器においてＣ０３（＠化カルボニル）を低レベルま
で還元して、表１の流れ４として流れを与える。この過
程が望ましい理由は、硫黄除去法てＣＯ８を除去するこ
とがそれから生成される硫化水素の除去よりはるかに困
難だからである。
触媒反応器１７からは排熱ボイラ１８により熱が更に回
収される。その排熱ボイラにおいては１時間当り５バー
ルのスチームが約６５トン発生され、凝縮水を１６０℃
のドラム１９において除去する。ドラム１２の内部で分
離されたその凝縮水の一部を、上流側において２３２℃
で発生された凝縮水（ドラム１９において分離された）
に結合して、ポンプ２０により部分酸化装置１０へ戻し
て生ガスを冷却する。ドラム１９を出たガス中には有用
な熱が大量に存在するから、その熱のうちのいくらかを
反収式冷凍器２８を運転するために熱交換器２１におい
て用いることにより、そのガスの温度が１６０℃から１
４５℃に低下し、かついくらかの熱を硫黄除去装置２７
内のりボイラ２２において利用する。ノックアウトドラ
ム２３において凝縮水を更に除去した後で、ガス流中の
残りの有用な熱を熱交換器２４で用いて一般用水を加熱
する。ガス流は熱交換器２５において冷却水を用いて最
終的に４０℃まで冷却し、凝縮水はドラム２６において
除去する。
冷却されたガス（表１の流れ５）はいまは２６バールで
あって、二酸化炭素を約３２容ｆｆｉ％　含むが、約１
％の硫黄化合物、主としてＨ２Ｓにより汚染されている
。硫黄除去装置２７は、ガス流中の二酸化炭素のほとん
どを保持しつつ、全ての含ａ硫黄を約５０　ｐｐ１１以
下まで除去できなければならない。硫黄を除去するため
に５ｕｌｐｈｕｒｏｘｓＳｅｌｅｘｏｌ　、　Ｐｕｒｉ
ｓｏｌまたはＡｌｋａｚｉｄという名称で知られている
ようないくつかの選択的除去法を現在使用できる。ある
場合には、物理的溶媒を用いるにおいて固有の大きい蒸
発分（ｌ　１ｑｕｏｒ）循環速度を最低にするために、
それらの選択的除去法は、溶剤からＨ２Ｓを除去するた
めにリボイル熱と、冷凍とを同時に必要とする。第１図
Ｂには、物理的溶媒を用いる硫黄除去装置２７が示され
ている。
冷凍はアンモニア吸収式冷凍器２８により行われる。そ
の吸収式冷凍器の運転に必要な熱は熱交換器２１におい
てガス流から取出される。同様に、硫黄除去装置内で溶
媒を除去するためのリボイラ熱は熱交換器２２により与
えられる。
スィートガス（表１の流れ６）が硫黄をほとんど含まず
に、４０℃および２５バールで硫黄除去装置２７を出る
。ガスタービン円筒排気二次燃焼ガス（ｇａｓ　Ｌｕｒ
ｂｌｎ　ｃｏｌｕｍｎ　ｅｘｈａｕｓｔ　ａｒｔｅｒｂ
ｕｒｎ）（表１の流れ１１）として使用１するために、
ガスのいくらかを分離した後で、バランスガス（表１の
流れ１１）が詰物をされた飽和器円筒３０の中を通り、
その円筒の中で１５０℃の循環水に接触させる。その水
のための熱はガスタービン３１゜３２．３３の排気対流
加熱領域（対流領域）３４Ａ内の加熱コイル４０から取
出す。燃料ガスは１３０℃のスチームで飽和されている
円筒３０から出て、熱交換器１６において、シフトされ
た生ガスから回収された熱により２８０”Ｃまで更に加
熱する。
ガスタービン用の加熱された燃料ガスは燃焼室３１へ送
って、動力タービン３３により駆動される圧縮機３２か
らの空気により燃焼させられる。
正味の動力出力が交流発電機５２を駆動して電力を発生
する。この実施例においては、２８０”Ｃおよび２４バ
ールにおいてガスタービンへ供給された燃料ガス（表１
の流れ１０）には、二酸化炭素約２７容二％（乾燥状態
において）とスチーム１１容工％を含む。このガスは既
に燃焼室の圧力になっている不活性ガス、主として二酸
化炭素、が約３８容量％存在するから、そのガスは非常
に効果的なガスタービン燃料を構成する。そのために空
気圧縮機にかかる負Ｇｊが減少し、したがって発電のた
めに利用できる正味の動力量が増加する。
ここで説明している実施例においては、ガスタービンは
２２５ＭＷの正味動力を発生する。
排気（表１の流れ１２）はガスタービンを約４７０°Ｃ
の温度て出る。それらのガス中に含まれている大ユの熱
を最適に利用するために、ガスの温度を二次燃焼器３４
においてまず５７５℃まで上昇させる。その二次燃焼器
３４はそれの燃料として、初めの段階において取出した
スィートガス（表１の流れ１１）のいくらかを使用する
。それから流出ガスを対流領域３４Ａへ流す。その対流
領域においてはそのスィートガスは、種々のスチーム発
生および過熱用の一連の熱回収コイルの上を通る。排熱
ボイラコイル３６およびそれに関連する水加熱器加熱コ
イル３８は、１００バールのスチームを１時間当り約３
７０トン発生する能力を有する。そのスチームはコイル
３５において５００℃まで過熱され、それから連結され
ている蒸気タービン４１〜４４へ送られる。それらの蒸
気タービンは１００バールと凝縮状態である０、０３バ
ールの間で動作する。中間の再加熱は５バールである。
４台のタービンを合わせて約１７５ＭＷを発電する。
また、ボイラ１１における冷却の直後に発生された１時
間当り４５トンの２０バールのスチームを対流領域３４
Ａのコイル３７において２９０℃まで過熱してからター
ビン４２へ送る。排熱ボイラ１８において発生された別
の５バールスチームを５バールスチームに加え、それら
のスチームをコイル３９において一緒に約１６０℃から
２７５℃まで再加熱する。最後のタービンの後で、湿っ
たスチーム（乾燥度が９０％）を水冷熱交換器４５にお
いて凝縮し、その凝縮水をコイル４７゜４８において１
２０℃まで予熱するために送り出しポンプ４６により送
り出し、脱気装置４９および再循環ポンプ５０を通って
スチーム回路へ戻す。
スチーム回路のための補給水を脱気器４９へ送る。
先に説明したように、対流領域熱回収は、飽和器円筒３
０のための温水を供給する水加熱器４０も含む。対流領
域３４Ａからの燃料ガス（表１の流れ１３）が対流領域
からスタック５１を通って人気中へ出る。
再び硫黄除去装置２７へ戻って、除去された硫黄化合物
を含む流出流（表１の流れ８）は硫黄化合物を約２５モ
ル％含み、クラウス・キルン２９を用いて硫黄を処理お
よび回収するのにその流出流は非常に適する。クラウス
・キルン２９からのテールガス（ｔａｌｌ　ｇａｓ）は
たとえば「スコツト」法により更に処理する。この目的
のために、硫黄除去装置の前で還元ガスの流れ（表１の
流れ９）が取出される。硫黄を痕跡程度しか含んでいな
い最後のテールガスを二次燃焼器３４へ他の残留排出物
とともに送るが１５ｐｐ量より高くないスタックガス硫
黄レベルを依然として生ずる。
【図面の簡単な説明】
便宜上第１図Ａおよび第１図Ｂに分けて示す第１図は本
発明の方法を実施する装置の回路図である。 １１・・・ボイラ、１２．１９．２６・・・ドラム、１
３．１６，２１，２４．２５．４５・・・熱交換器、１
４・・・触媒シフト反応器、１５・・・高温ガス膨張器
、１７・・・触媒反応器、１８・・・排熱ボイラ、２０
゜４６．４７．４８・・・ポンプ、２２・・・リボイラ
、２３・・・ノックアウトドラム、２７・・・硫黄除去
装置、２８・・・吸収式冷凍器、３０・・・飽和器円筒
、３１゜３２．３３．４４・・・ガスタービン、３４・
・・二次燃焼器、３４Ａ・・・対流加熱領域、３５．３
６・・・コイル、４１〜４４・・・蒸気タービン。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、炭素質燃料を酸素または酸素含有ガスで部分酸化し
    て、一酸化炭素を大気圧以上の圧力で含むガス流を発生
    する過程と、前記ガス流を膨張させて動力を発生する過
    程と、膨張させられたガス流の少くとも大部分を更に酸
    素または酸素含有ガスで、ほぼ完全に酸化して更に動力
    を発生させる過程とを備える炭素質燃料から発電する方
    法において、膨張の前に、前記ガス流に対して一酸化炭
    素シフト反応を施すことにより、前記ガス流中の一酸化
    炭素の少くともいくらかを二酸化炭素および水素に変え
    、そのシフト反応の熱の少くともいくらかを用いて膨張
    前のガス流を予熱することを特徴とする炭素質燃料から
    発電する方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法であって、シフト
    反応過程の前にガス流を水で冷却し、前記シフト反応の
    ための水またはスチームのうちの少くともいくらかを冷
    却水から得ることを特徴とする方法。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法にお
    いて、膨張の前にシフトされたガス流の温度膨張の前に
    上昇させることを特徴とする方法。 ４、特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載の方法
    において、硫黄除去過程を含むことを特徴とする方法。 ５、特許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の方法
    において、膨張させられたガス流のほぼ全ての一酸化炭
    素および水素を用いて動力を発生することを特徴とする
    方法。 ６、特許請求の範囲第１〜４項の何れかに記載の方法に
    おいて、シフト反応の熱の少くともいくらかが膨張前の
    ガス流を予熱するために用いられる方法。 ７、特許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の方法
    を実施する装置。
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JP2010507067A (ja) * 2006-10-18 2010-03-04 リーン フレイム インコーポレイテッド エネルギー放出／変換装置と組合せて使用されるガス及び燃料の予混合器

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