JPS63105241A - 触媒還元における温度制御方法 - Google Patents

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１ 近時、ガスタービン発電系とその排熱エネルギにより駆
動される蒸気タ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、上記燃料ａは圧縮ｆｉ２ｃで圧
縮された燃焼用空気すと共に燃焼し、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７［２ｂおよび上記燃
焼用空気す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３Ｃ１給水子熱器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を配設しである。

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（流量副部用ダンパ）８ｂ１分岐管出ロダ
ンバ（流用副部用ダンパ）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内における上記入ロダンバ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がらの高温排ガス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上の蒸気タービン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１１
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Ｗ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
媒の量をがなり多く必要とすることから経済的な問題が
ある。触媒の農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爪先に供給させる。

このよう複合発電システムはガスタービン発電系、？−
と蒸気タービン発電系Ａ−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の流出側に向がって過熱器１２と反応器１１
と加熱器１ｏ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。上記過熱器１２と反応器１１は各々過熱器１２
とガスタービン発電系、？−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１
３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
審照して説明する。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
環フロア、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、丁Ｃは熱雷
対、Ａはガス分析計、Ｆｌは流量計、ｉは冷却水、Ｙは
ドレン、２はベント、Ｖｌはガスタービン側供給遮断弁
、■２はメタノール供給元弁、Ｖ３　、　Ｖ４は反応器
側供給遮断弁、Ｖｓ　、Ｖｓ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■１、メタノー
ル供給元弁Ｖ２ならびに還元装置元弁Ｖｓ　。

Ｖｓおよびベント弁Ｖ７を全閉、反応器側供給遮断弁Ｖ
３　、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Ｖｓ　。

Ｖｓを全開し、さらに触媒還元ガスとして窒素ガスＣ１
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、循環プロア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”Ｃを循環ガス温度
の管理目標とする。

（４）次に、循環窒素ガス濃度例えば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■
７を開弁じ、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＠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Ｍ）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
に流糧制御用ダンパ、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Ａ−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２
１とからなっている。

■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２
ａ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。

■設億使用方法 上記の触媒還元操作の手順３にて必要となる「反応器１
１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／出口の流臣制御用ダン
パ（８ｂ／８ｃ）を全開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２
ａの排気は全９がボイラ系β−に流れる。

手順２・・・ボイラ系１を複圧で作動させ、発生蒸気は
バイパス弁Ｖ１１　、Ｖｌ　３を全開し、主止弁Ｖｌ　
ａ　、　Ｖｔ　２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ヘダンプする。

ガスタービン発電系β−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を全開したのち、徐々に弁Ｖ
１４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ＶＩｓ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３
２０℃）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、低圧タービン油気を弁Ｖ１６で
制御して使用することが必要となる。

この場合も弁Ｖｉ　４　、　■１７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人口で１５０℃〜出口で２５０℃〉となるように
ダンパ８ｂ、Ｆ１ａの開度を決定する。

温度の微調整は蒸気投入量（弁ｖ！４）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
に示しである。

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。

（＋）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。

（ｉ　ｉ）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。

（ｉ　ｉ　ｉ）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、媒体には蒸気以
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（１１）〜（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。

［発明の効果コ 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図は本発明の詳細な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図は本発明の詳細な説明するための図、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１．？−・・・ガスタービン発電系、２
ａ・・・ガスタービン、２ｂ・・・発電機、２Ｃ・・・
圧縮源、３−・・・ボイラ系、３ａ・・・排気本管、Ａ
−・・・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、２ｏ・・・高圧蒸発器、２１・・
・過熱器。 出願人復代理人　弁理士　鈴江武彦 蜀掛亨禾 ： 第２　図 ？Ｊ３ｒｙ！ｊ 手続補正書 昭和６１ギ２−月２日 持許庁艮官　黒　１）明　Ｍ　殿 １、事件の表示 特願昭６１−２５０２２１号 ２、発明の名称 触媒還元における温度制御方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （６２０）三菱重工業株式会社 ４、復代理人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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。