JP4059546B2 - 合成ガスおよび電気エネルギーを組み合わせて製造する方法 - Google Patents
合成ガスおよび電気エネルギーを組み合わせて製造する方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換型改質器への燃焼用空気供給にガスタービンを組み込むことによって、合成ガスおよび電気エネルギーを組み合わせて製造する方法に関する。
本発明は、特に炭化水素供給源から合成ガスを製造するための熱交換水蒸気改質器(HER) への熱量供給のための燃焼用空気として、ほぼ大気圧または昇圧状態のガスタービンからの熱排気を使用することによって、高効率でエネルギー(power) を生産する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一方本発明の方法によれば、ガスタービンエアコンプレッサーからの圧縮された空気は、最初にHER において、次いでガスタービンエキスパンダーでガスを膨張させる前にHER からの煙道ガス温度を上昇させるための第二の燃焼において、燃焼用空気として使用することができる。
【０００３】
HER は、通常炭化水素改質技術で用いられる。HER 改質器の利点は、改質用加熱炉のような輻射による熱伝達と比較して、対流的な熱伝達の度合が高い点にある。これは、著しく過剰な燃焼用空気によって達成されるが、このことは煙道ガス温度を制限する。
一般に、HER には、予熱され、脱硫された炭化水素流が水蒸気と混合されて導入される。
【０００４】
改質工程は、HER 中に配置された改質触媒の存在下に実施される。この水蒸気改質工程は、以下の反応により進行する：
C n H m + n H2O ⇔ n CO + (n+m/2) H2
CO + H2O ⇔ CO2 + H2
HER の概念は、冷却による改質器触媒床からの流出流が改質工程のために必要な熱量の一部を提供するように、吸熱反応を行うことを含む。必要とされる改質器能力の残部は、HER 燃焼室での燃料の燃焼および熱煙道ガス流の製造により供給され、この煙道ガスは、触媒床中での上記水蒸気改質反応と熱伝導の関係にある触媒床壁面の外側を、ほぼ大気圧または昇圧状態で流れる。
【０００５】
この燃焼は、触媒床壁面を介して触媒に対して主として対流的に熱伝達を行うための適切な煙道ガス温度を達成するために過剰な空気を用いて行われる。
HER で製造された合成ガスは、下流のプロセスを区画する手法により、いくつかの合成法、例えばメタノールまたは水素または一酸化炭素の製造に用いることができる。
【０００６】
通常のレイアウトでは、HER には、燃焼用空気コンプレッサーの過剰な燃焼用空気が供給される。HER に基づいたプラントのこのようなおよびその他の種々雑多な装置（コンプレッサー、ブロアー、ポンプ等）のために必要なエネルギーは、通常エネルギーの導入または代表的にはスチームタービンまたはガスタービンによるオンサイトでのエネルギーの生産によって供給されている。
【０００７】
ガスタービンは、HER に類似して、煙道ガス温度を制御するために著しく過剰な燃焼用空気を必要とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
HER 改質器およびガスタービンは、両方とも煙道ガス温度の制御を必要とするという事実に基づいて、本発明者らは、酸素の減少した(oxygen depleted)HERからの排気をガスタービンに燃焼用空気として使用した場合およびその逆の場合には、改善されたプロセス効率が達成されることを見出した。最初のプロセスから大気温度に低下するまでの排気ガスの全体の熱エネルギーは、エントロピーの損失なしで続いての燃焼プロセスでの燃焼用空気予熱能力に変換される。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、
第二燃料流を燃焼用空気と燃焼させて煙道ガスとし、そしてこの煙道ガスを、熱交換型反応器中での炭化水素供給源の水蒸気改質反応と熱伝導の関係で流すことによって、合成ガスを製造する段階、および
第一燃料流を燃焼用空気とガスタービン燃焼室で燃焼させて煙道ガスとし、そしてこの煙道ガスをガスタービンにおいて膨張させることによって、電気エネルギーを製造する段階、
を少なくとも含む合成ガスおよび電気エネルギーを組み合わせて製造する方法であって、
これらの段階の一方からの煙道ガスをもう一方の段階の燃焼用空気として使用することからなる上記方法を提供する。
【００１０】
本発明の方法により、熱交換型改質器と組み合わされたガスタービンにおいて高効率でエネルギーが生産される。エネルギーおよび合成ガスを組み合わせて生産するために必要な量の燃料は、約80〜90％の効率で転換されるが、これは別々のエネルギー生産では達成されない。
その他の利点として、燃焼用空気を順次使用することにより、２つの別々の回収セクションの代わりに１つの共通の煙道ガス廃熱回収セクションしか必要でなく、それによって煙道ガスの全体の流量が著しく減少される点がある。
【００１１】
本発明の方法により、HER に使用される燃焼用空気は、液体または気体状燃料流を燃焼し、エネルギーおよび熱酸素含有排気ガスを生産するガスタービンに流され；
次いでこの酸素含有排気ガスは、HER 燃焼室に流され、ここで改質器および共通の廃熱回収セクションの加熱媒体として適当な煙道ガス流を供給する追加的な燃料の燃焼のために使用されるか、あるいは燃焼用空気はガスタービンコンプレッサーに流され、ここで圧縮され、そして液体または気体状燃料流を燃焼し、改質器の加熱媒体として適当な煙道ガス流を供給するためにHER 燃焼室に送られ；
次いで、このHER からの酸素含有流出流は、排気ガスを製造する追加的な燃料流の燃焼のために使用され、これはガスタービンエキスパンダーに流され、そして最終的には共通の廃熱回収セクションに流される。
【００１２】
【実施例】
図１の特別な態様に示されるように本発明の手段を操作するには、大気中の空気２をガスタービン(GT)コンプレッサーに流入し、１またはそれ以上の段階でガスタービンエアコンプレッサーで圧縮する。次いで、圧縮した空気を過剰な酸素供給源として、ガスタービン燃焼室で液体または気体状燃料流１１と混合しそして反応させる。
【００１３】
燃焼室からの煙道ガス８は、実質的な量の残部酸素を含有しており、引き続いてガスタービンエキスパンダー（GTエキスパンダー）に流され、ここで煙道ガスは、HER 燃焼用空気として適当なほぼ大気圧または昇圧状態にまで脱圧される。
酸素含有煙道ガス流１２は、HER に流され、そしてもう一度HER 燃焼室９で過剰な酸素供給源として、液体または気体状燃料６と反応し、そしてHER の触媒室１４で行われる熱量を必要とする吸熱改質工程のための熱量を供給するために十分に高い温度（一般的には1300℃）および高い流速の第二煙道ガス流を形成する。
【００１４】
熱吸収HER 改質セクション１４の煙道ガス側で冷却されるHER からの煙道ガス１０は、通常の煙道ガス廃熱回収セクション(WHS) においてさらに冷却される。
ガスタービンは軸 動力(shaft power) を生産し、これはターボジェネレーターまたは例えばコンプレッサー（図示せず）を運転するために任意に使用される。
【００１５】
図２に示されている本発明によるその他の態様では、大気空気２０が、ガスタービンエアコンプレッサー（GTコンプレッサー）に流され、そして１またはそれ以上の段階で圧縮される。
圧縮された空気２２は、HER 燃焼室９０に流され、そしてそこで過剰な酸素供給源として液体または気体状燃料流６０と混合されて、そして反応し、HER 改質セクション１４０で行われる熱吸収吸熱改質プロセスのための熱量を供給するために十分に高い温度（一般的には1300℃）および高い流速の煙道ガスを形成する。
【００１６】
煙道ガス８０は、熱吸収HER 改質セクション１４０の煙道ガス側で冷却され、そしてHER に含まれる残量の酸素は、次いで燃焼室１２０に流され、そしてもう一度過剰な酸素供給源として液体または気体状燃料１１０と反応させられ、煙道ガス１００を生成する。
煙道ガス１００は、ガスタービンエキスパンダーに流され、ほぼ大気圧までタービンで脱圧される。
【００１７】
次いで、脱圧された煙道ガス流１６０は通常の廃熱回収セクション(WHS) に送られる。
ガスタービンは軸動力を生産し、これはターボジェネレーターまたは例えばコンプレッサー（図示せず）を運転するために任意に使用される。
図１および２に示した両方の態様において、エアコンプレッサーからの圧縮された燃焼用空気を、バイパスにより直接第二の燃焼室に流してもよい。
【００１８】
図１および２に示した態様で用いられる条件および得られる結果を、それぞれ表１および表２にまとめる。
図３および表３に示したガスタービンを用いないHER での従来の合成ガス生成と比較して、本発明の方法では著しいエネルギーの節約が達成される。図３に示された従来のHER は8.9MWh/hのエネルギー導入が必要であるが、エネルギーおよび合成ガスの組み合わせた製造では過剰なエネルギーが生産される。図１の態様により、29gMWh/hのエネルギーがプラントから搬出される。これによって、合成ガスおよびエネルギーの組み合わせた製造に必要な追加的な燃料の転化効率は、表１から明らかなように89％である。図２に示された態様では、94％の追加的な燃料の転化効率で76MWh/h のエネルギー搬出が可能である（表２参照）。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一つの態様を示したフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の一つの態様を示したフローチャートである。
【図３】図３は、従来の方法を示したフローチャートである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換型改質器への燃焼用空気供給にガスタービンを組み込むことによって、合成ガスおよび電気エネルギーを組み合わせて製造する方法に関する。
本発明は、特に炭化水素供給源から合成ガスを製造するための熱交換水蒸気改質器(HER) への熱量供給のための燃焼用空気として、ほぼ大気圧または昇圧状態のガスタービンからの熱排気を使用することによって、高効率でエネルギー(power) を生産する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一方本発明の方法によれば、ガスタービンエアコンプレッサーからの圧縮された空気は、最初にHER において、次いでガスタービンエキスパンダーでガスを膨張させる前にHER からの煙道ガス温度を上昇させるための第二の燃焼において、燃焼用空気として使用することができる。
【０００３】
HER は、通常炭化水素改質技術で用いられる。HER 改質器の利点は、改質用加熱炉のような輻射による熱伝達と比較して、対流的な熱伝達の度合が高い点にある。これは、著しく過剰な燃焼用空気によって達成されるが、このことは煙道ガス温度を制限する。
一般に、HER には、予熱され、脱硫された炭化水素流が水蒸気と混合されて導入される。
【０００４】
改質工程は、HER 中に配置された改質触媒の存在下に実施される。この水蒸気改質工程は、以下の反応により進行する：
C n H m + n H2O ⇔ n CO + (n+m/2) H2
CO + H2O ⇔ CO2 + H2
HER の概念は、冷却による改質器触媒床からの流出流が改質工程のために必要な熱量の一部を提供するように、吸熱反応を行うことを含む。必要とされる改質器能力の残部は、HER 燃焼室での燃料の燃焼および熱煙道ガス流の製造により供給され、この煙道ガスは、触媒床中での上記水蒸気改質反応と熱伝導の関係にある触媒床壁面の外側を、ほぼ大気圧または昇圧状態で流れる。
【０００５】
この燃焼は、触媒床壁面を介して触媒に対して主として対流的に熱伝達を行うための適切な煙道ガス温度を達成するために過剰な空気を用いて行われる。
HER で製造された合成ガスは、下流のプロセスを区画する手法により、いくつかの合成法、例えばメタノールまたは水素または一酸化炭素の製造に用いることができる。
【０００６】
通常のレイアウトでは、HER には、燃焼用空気コンプレッサーの過剰な燃焼用空気が供給される。HER に基づいたプラントのこのようなおよびその他の種々雑多な装置（コンプレッサー、ブロアー、ポンプ等）のために必要なエネルギーは、通常エネルギーの導入または代表的にはスチームタービンまたはガスタービンによるオンサイトでのエネルギーの生産によって供給されている。
【０００７】
ガスタービンは、HER に類似して、煙道ガス温度を制御するために著しく過剰な燃焼用空気を必要とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
HER 改質器およびガスタービンは、両方とも煙道ガス温度の制御を必要とするという事実に基づいて、本発明者らは、酸素の減少した(oxygen depleted)HERからの排気をガスタービンに燃焼用空気として使用した場合およびその逆の場合には、改善されたプロセス効率が達成されることを見出した。最初のプロセスから大気温度に低下するまでの排気ガスの全体の熱エネルギーは、エントロピーの損失なしで続いての燃焼プロセスでの燃焼用空気予熱能力に変換される。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、
第二燃料流を燃焼用空気と燃焼させて煙道ガスとし、そしてこの煙道ガスを、熱交換型反応器中での炭化水素供給源の水蒸気改質反応と熱伝導の関係で流すことによって、合成ガスを製造する段階、および
第一燃料流を燃焼用空気とガスタービン燃焼室で燃焼させて煙道ガスとし、そしてこの煙道ガスをガスタービンにおいて膨張させることによって、電気エネルギーを製造する段階、
を少なくとも含む合成ガスおよび電気エネルギーを組み合わせて製造する方法であって、
これらの段階の一方からの煙道ガスをもう一方の段階の燃焼用空気として使用することからなる上記方法を提供する。
【００１０】
本発明の方法により、熱交換型改質器と組み合わされたガスタービンにおいて高効率でエネルギーが生産される。エネルギーおよび合成ガスを組み合わせて生産するために必要な量の燃料は、約80〜90％の効率で転換されるが、これは別々のエネルギー生産では達成されない。
その他の利点として、燃焼用空気を順次使用することにより、２つの別々の回収セクションの代わりに１つの共通の煙道ガス廃熱回収セクションしか必要でなく、それによって煙道ガスの全体の流量が著しく減少される点がある。
【００１１】
本発明の方法により、HER に使用される燃焼用空気は、液体または気体状燃料流を燃焼し、エネルギーおよび熱酸素含有排気ガスを生産するガスタービンに流され；
次いでこの酸素含有排気ガスは、HER 燃焼室に流され、ここで改質器および共通の廃熱回収セクションの加熱媒体として適当な煙道ガス流を供給する追加的な燃料の燃焼のために使用されるか、あるいは燃焼用空気はガスタービンコンプレッサーに流され、ここで圧縮され、そして液体または気体状燃料流を燃焼し、改質器の加熱媒体として適当な煙道ガス流を供給するためにHER 燃焼室に送られ；
次いで、このHER からの酸素含有流出流は、排気ガスを製造する追加的な燃料流の燃焼のために使用され、これはガスタービンエキスパンダーに流され、そして最終的には共通の廃熱回収セクションに流される。
【００１２】
【実施例】
図１の特別な態様に示されるように本発明の手段を操作するには、大気中の空気２をガスタービン(GT)コンプレッサーに流入し、１またはそれ以上の段階でガスタービンエアコンプレッサーで圧縮する。次いで、圧縮した空気を過剰な酸素供給源として、ガスタービン燃焼室で液体または気体状燃料流１１と混合しそして反応させる。
【００１３】
燃焼室からの煙道ガス８は、実質的な量の残部酸素を含有しており、引き続いてガスタービンエキスパンダー（GTエキスパンダー）に流され、ここで煙道ガスは、HER 燃焼用空気として適当なほぼ大気圧または昇圧状態にまで脱圧される。
酸素含有煙道ガス流１２は、HER に流され、そしてもう一度HER 燃焼室９で過剰な酸素供給源として、液体または気体状燃料６と反応し、そしてHER の触媒室１４で行われる熱量を必要とする吸熱改質工程のための熱量を供給するために十分に高い温度（一般的には1300℃）および高い流速の第二煙道ガス流を形成する。
【００１４】
熱吸収HER 改質セクション１４の煙道ガス側で冷却されるHER からの煙道ガス１０は、通常の煙道ガス廃熱回収セクション(WHS) においてさらに冷却される。
ガスタービンは軸 動力(shaft power) を生産し、これはターボジェネレーターまたは例えばコンプレッサー（図示せず）を運転するために任意に使用される。
【００１５】
図２に示されている本発明によるその他の態様では、大気空気２０が、ガスタービンエアコンプレッサー（GTコンプレッサー）に流され、そして１またはそれ以上の段階で圧縮される。
圧縮された空気２２は、HER 燃焼室９０に流され、そしてそこで過剰な酸素供給源として液体または気体状燃料流６０と混合されて、そして反応し、HER 改質セクション１４０で行われる熱吸収吸熱改質プロセスのための熱量を供給するために十分に高い温度（一般的には1300℃）および高い流速の煙道ガスを形成する。
【００１６】
煙道ガス８０は、熱吸収HER 改質セクション１４０の煙道ガス側で冷却され、そしてHER に含まれる残量の酸素は、次いで燃焼室１２０に流され、そしてもう一度過剰な酸素供給源として液体または気体状燃料１１０と反応させられ、煙道ガス１００を生成する。
煙道ガス１００は、ガスタービンエキスパンダーに流され、ほぼ大気圧までタービンで脱圧される。
【００１７】
次いで、脱圧された煙道ガス流１６０は通常の廃熱回収セクション(WHS) に送られる。
ガスタービンは軸動力を生産し、これはターボジェネレーターまたは例えばコンプレッサー（図示せず）を運転するために任意に使用される。
図１および２に示した両方の態様において、エアコンプレッサーからの圧縮された燃焼用空気を、バイパスにより直接第二の燃焼室に流してもよい。
【００１８】
図１および２に示した態様で用いられる条件および得られる結果を、それぞれ表１および表２にまとめる。
図３および表３に示したガスタービンを用いないHER での従来の合成ガス生成と比較して、本発明の方法では著しいエネルギーの節約が達成される。図３に示された従来のHER は8.9MWh/hのエネルギー導入が必要であるが、エネルギーおよび合成ガスの組み合わせた製造では過剰なエネルギーが生産される。図１の態様により、29gMWh/hのエネルギーがプラントから搬出される。これによって、合成ガスおよびエネルギーの組み合わせた製造に必要な追加的な燃料の転化効率は、表１から明らかなように89％である。図２に示された態様では、94％の追加的な燃料の転化効率で76MWh/h のエネルギー搬出が可能である（表２参照）。
【００１９】
【表１】
【表２】
【表３】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一つの態様を示したフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の一つの態様を示したフローチャートである。
【図３】図３は、従来の方法を示したフローチャートである。
Claims (2)
- 第二燃料流を燃焼用空気と燃焼させて煙道ガスとし、そしてこの煙道ガスを、熱交換型反応器中での炭化水素供給源の水蒸気改質反応と熱伝導の関係で流すことによって、合成ガスを製造する段階、および
第一燃料流を燃焼用空気とガスタービン燃焼室で燃焼させて煙道ガスとし、そしてこの煙道ガスをガスタービンにおいて膨張させることによって、電気エネルギーを製造する段階、
を少なくとも含む合成ガスおよび電気エネルギーを組み合わせて製造する方法であって、
前記水蒸気改質段階からの煙道ガスを、電気エネルギー製造段階において第一燃料流と燃焼させることを特徴とする、上記方法。 - 前記水蒸気改質段階の燃焼用空気が、ガスタービンコンプレッサーからの圧縮された空気である、請求項１に記載の方法。
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