JP2016533387A - 余剰電気エネルギーを効率的に利用するためのプラント及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための、第一のエチンを含有する生成物ガス流を発生させる第一の装置、エチンを電熱により製造するための、第二のエチンを含有する生成物ガス流を発生させる第二の装置、及びエチンをガス流から分離するための、第一と第二の生成物ガス流の両方が供給される分離装置を有するプラントに関する。前記プラントは、エチンを電熱により製造するための装置を余剰電気エネルギーにより運転することによって、余剰電気エネルギーを効率的に利用することができる。

Description

本発明は、余剰電気エネルギーを効率的に利用するためのプラント及び方法に関し、ここで、当該電気エネルギーはエチンの製造のために利用される。

再生可能エネルギー、例えば風力エネルギー及び太陽エネルギーの使用は、発電のためにますます重要性を増してきている。一般に電気エネルギーは、広範囲にまたがる、超広域の、国境を超えて結ばれた電力供給網（略して電力網と呼ばれる）を介して大勢の消費者に供給される。電力網における電気エネルギー自体は、有意な量では貯蔵可能でないことから、当該電力網内に供給された電力は、消費者サイドの電力需要、いわゆる給電量に適合させられなければならない。周知のように給電量は、時間に依存して変動し、殊に時刻、曜日或いはまた季節に応じて変動する。安定し信頼できる電力供給のために、発電と電力取り込みとが連続的に等しくなっている必要がある。場合により生じる一過性のずれは、いわゆる正若しくは負の調整エネルギー(Regelenergie)又は調整出力(Regelleistung)によって調整される。再生式発電施設において、風力エネルギーや太陽エネルギーといった特定のタイプの場合においては、エネルギー発電が常時存在するわけでも、特定の仕方で調整可能であるわけでもなく、限られた条件でのみ予測可能であり、かつ一般にはその時その時の実際のエネルギー需要とは合致しない、時刻と天候条件に依存した変動に曝されるという困難が生じる。

再生可能な変動性エネルギーからの発電出力量と実際の消費量との差分は、通常、他の発電所、例えばガス発電所、石炭発電所及び原子力発電所によって提供される。再生可能な変動性エネルギーの拡充と当該エネルギーの電力供給の割合が高まるにつれて、それらの出力量と実際の消費量との、ますます大きくなる変動分が調整されなければならない。したがって、既に現在ではこの変動分を調整するために、ガス発電所のほかに石炭火力発電所も大いに部分負荷稼働させられるか又は完全に停止させられる。発電所のこの可変運転方式には相当の追加費用が伴うことから、しばらく前から代替的な措置を開発することが試みられている。

１つの試みが、電気エネルギー余剰の際に、発電所の出力を変化させる代わりに又は変化させることに加えて、余剰電気エネルギーをエチンの電熱による製造のために利用することである。この一例が、１９個の並列に配置されたアーク反応器(Lichtbogenreaktoren)を有し、かつ電気エネルギーの供給量に依存して、運転される当該アーク反応器の数が様々に変えられたＣｈｅｍｉｓｃｈｅｎ Ｗｅｒｋｅ Ｈｕｅｌｓのエチンプラントであった。エチンを電熱により製造するためのアーク反応器が素早くオン／オフさせられることができる一方で、エチンを電熱により製造する際に得られた生成物ガス流からエチンを効率的及び経済的に分離するためには、可能な限り一定の生成物ガス流が必要である。そのため、エチン１２０，０００トン／年のエチン容量を有するＣｈｅｍｉｓｃｈｅｎ Ｗｅｒｋｅ Ｈｕｅｌｓのエチンプラントは、３５０，０００ｍ³の総体積を有する生成物ガス流用のバッファー貯蔵タンク(Pufferspeicher)を含んでいた。しかしながら、かかる大型のバッファー貯蔵タンクの構造及び運転には技術的にコストが掛かり、かつ安全性がおかされることと結び付いている。

したがって、余剰電気エネルギーをエチンの製造によって利用することができ、かつ上記方法の欠点を有さないプラント及び方法が必要とされている。

本発明の対象は、
エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための、第一のエチンを含有する生成物ガス流を発生させる第一の装置、
エチンを電熱により製造するための、第二のエチンを含有する生成物ガス流を発生させる第二の装置、及び
エチンをガス流から分離するための、第一と第二の生成物ガス流の両方が供給される分離装置
を含む、余剰電気エネルギーを効率的に利用するためのプラントである。

そのうえ、本発明の対象は、本発明によるプラントにおいて、エチンを電熱により製造するための装置を余剰電気エネルギーにより運転する、余剰電気エネルギーを効率的に利用するための方法である。

さらに、本発明の対象は、本発明によるプラントにおいて、エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための第一の装置と、エチンを電熱により製造するための第二の装置との両方を部分負荷運転し、調整エネルギーを提供するために、エチンを電熱により製造するための第二の装置の出力を変化させ、かつ制御装置により、エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための第一の装置の出力を、分離装置において分離されたエチンの総量が所定の範囲に保たれるように適合させる、電力網用の調整エネルギーを提供するための方法である。

本発明によるプラントは、エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための、第一のエチンを含有する生成物ガス流を発生させる第一の装置を含む。ここで、第一の装置は、エチンを部分酸化によって発生させる１つ以上の機器を含む。第一の装置がエチンを発生させるための複数の機器を含む場合、これらは好ましくは並列に配置され、かつ互いに無関係に運転されることができる。複数の並列に配置された機器を使用することで、個々の機器のスイッチオン／オフによって個々の機器における最適な運転条件を遵守しながらエチンの発生量を段階的に変化させることが可能となり、かつ効率損失が部分負荷運転によって回避される。

本発明によるプラントの第一の装置として、先行技術から公知のエチンを部分酸化によって製造するための全ての装置、例えばＵｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．Ａ１の第１０７頁〜第１１０頁及び第１１３頁〜第１１４頁から公知のＢＡＳＦ社のＳａｃｈｓｓｅ−Ｂａｒｔｈｏｌｏｍｅ法並びに浸漬火炎法(Tauchflammenverfahren)又は英国特許出願公告第１０００４８０号明細書から公知のモンテカティニ法の装置が用いられることができる。好ましくは、エチンを部分酸化によって製造するための第一の装置は少なくとも１つのバーナーを含み、当該バーナーに少なくとも１種の炭化水素と酸素の混合物が供給される。

本発明によるプラントは、エチンを部分酸化によって製造するための第一の装置のほかに更に、エチンを電熱により製造するための、第二のエチンを含有する生成物ガス流を発生させる第二の装置を含む。ここで、第二の装置は、エチンを電熱により発生させる１つ以上の機器を含んでよい。第二の装置がエチンを発生させるための複数の機器を含む場合、これらは好ましくは並列に配置され、かつ互いに無関係に運転されることができる。複数の並列に配置された機器を使用することで、個々の機器のスイッチオン／オフによって個々の機器における最適な運転条件を遵守しながらエチンの発生量を段階的に変化させることが可能となり、かつ効率損失が部分負荷運転によって回避される。

エチンを電熱により製造する場合、エチンは炭化水素又は石炭から吸熱反応において製造され、かつ反応の実施のために必要な熱は電流によって発生させられる。好ましくは、ガス状又は気化した炭化水素、特に有利には脂肪族炭化水素が用いられる。特に適しているのはメタン、エタン、プロパン及びブタンであり、殊にメタンである。エチンを電熱により製造するための適した装置は、先行技術から、例えばＵｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．Ａ１の第１１５頁〜第１２２頁から、独国特許出願公開第１９００６４４Ａ１号明細書及び欧州特許出願公開第０１３３９８２Ａ２号明細書から公知である。

エチンを電熱により製造するための装置は、好ましくはアーク反応器を含む。ここで、電熱によるエチンの製造は、少なくとも１種の炭化水素をガス流とともにアークに通す単一段階のプロセスにおいて行われることができる。代替的に、電熱によるエチンの製造は、水素をアークに通し、かつ少なくとも１種の炭化水素をアークの後方で、アークにおいて発生した水素プラズマ中に供給する二段階のプロセスにおいて行われることもできる。好ましくは、エチンを電熱により製造するための装置は、互いに無関係に運転されることができる複数の並列に配置されたアーク反応器を含む。

そのうえ、本発明によるプラントは、エチンをガス流から分離するための分離装置を含み、ここで、分離装置には、エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための第一の装置からの第一の生成物ガス流と、エチンを電熱により製造するための第二の装置からの第二の生成物ガス流との両方が供給される。好ましくは、エチンを分離するための分離装置は、コンプレッサー、加圧下で運転される吸収塔及び当該吸収塔より低い圧力下で運転される脱着塔を含む。エチンの選択的な吸収のために、水又は適した溶剤、例えばＮ−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド又はメタノールが使用されることができる。エチンを分離するための適した分離装置は、先行技術から、例えばＵｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．Ａ１の第１１０頁〜第１１２頁から公知である。

有利な実施形態においては、更に本発明によるプラントは、第一の装置と第二の装置とにおけるエチンの発生量を、分離装置において分離されたエチンの総量が所定の範囲に保たれるように互いに適合させる制御装置を含む。好ましくは、分離装置において分離されたエチンの総量はほぼ一定に保たれる。そのため好ましくは、この制御装置は、第一と第二の生成物ガス流の質量流量又は体積流量を測定するための測定装置、第一と第二の生成物ガス流におけるエチンの含量を測定するための分析装置、並びにエチンを部分酸化によって製造するための第一の装置とエチンを電熱により製造するための第二の装置の出力を変化させるための装置を含む。

好ましくは、エチンを製造するための第一と第二の装置はそれぞれ、生成物ガス流を急冷（クエンチング）するための装置を含む。急冷するためのこれらの独立した装置後に得られたガス流は、エチンを分離するための分離装置に供給される。その際、生成物ガス流は、好ましくは２５０℃未満の温度に冷却される。急冷するために、例えば炭化水素及び／若しくは水の供給といった直接クエンチング法、又は、例えば熱交換器中での蒸気発生による急冷といった間接クエンチング法が用いられることができる。直接クエンチングと間接クエンチングとを互いに組み合わせてもよい。第一の実施形態においては、反応ゾーンから出てくるガス混合物は水だけでクエンチングされる。この実施形態は、比較的僅かな資本費によって際立つ。有利な実施形態においては、反応ゾーンから出てくるガス混合物は、炭化水素含有ガス又は炭化水素含有液体と混合され、その際、これらの炭化水素の少なくとも一部が吸熱分解される。プロセスの運用に応じて、その際、多少幅広い生成物スペクトル、例えばエチン、水素及び場合により一酸化炭素のほかに、エタン、プロパン、エテン及び他の低級炭化水素の各成分も発生させられる。これによって、生じる熱は、はるかに高い量で炭化水素の吸熱分解といった更なる使用に供給されることができる。生成物ガス流をクエンチングするための適した装置は、先行技術から、例えばＵｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．Ａ１の第１０８頁〜第１１０頁及び第１１６頁〜第１１８頁から公知である。

特に有利には、エチンを製造するための第一と第二の装置はそれぞれ、生成物ガス流を急冷するための装置と当該装置に後置接続されたススを分離するための装置とを含む。ススを分離するための装置後に得られたガス流は、エチンを分離するための分離装置に供給される。ススを分離するために、エチンを製造するための公知の方法においてこのために用いられる全ての装置、例えばサイクロン、スクラバー又は電気集塵器が用いられることができる。適した装置は、例えばＵｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．Ａ１の第１０８頁〜第１１０頁及び第１１８頁から公知である。エチンを製造するための第一と第二の装置用の、ススを分離するための独立した装置の使用によって、方法において生じるススはより改善されて利用されることができ、例えばエチンを電熱により製造するための装置において得られたススはカーボンブラック顔料として、かつエチンを部分酸化によって製造するための装置において得られたススは燃料として利用されることができる。

好ましくは、本発明によるプラントは、エチンを電熱により製造するための装置とエチンを分離するための分離装置との間に更に、エチンを電熱により製造するための装置の生成物ガス流用のバッファー貯蔵タンクを含む。代替的に又は追加的に、本発明によるプラントは、エチンを部分酸化によって製造するための装置とエチンを分離するための分離装置との間にも更に、エチンを部分酸化によって製造するための装置の生成物ガス流用のバッファー貯蔵タンクを含んでよい。バッファー貯蔵タンクとして適しているのは、殊にガス計量器である。バッファー貯蔵タンクにより、第二の装置の出力が変化する場合に、第一の装置におけるエチンの発生量を時間的にずらして又は異なる速度で変化させ、かつこれに基づく生成物ガスのより大きい又はより少ない発生量を、生成物ガスをバッファー貯蔵タンク内に供給することによってか又は生成物ガスをバッファー貯蔵タンクから取り出すことによって調整する、本発明によるプラントの運転が可能となる。

余剰電気エネルギーを効率的に利用するための本発明による方法は、本発明によるプラントにおいて実施され、かつエチンを電熱により製造するための装置は、余剰電気エネルギーにより運転される。余剰電気エネルギーは、本発明によるプラントと並んで存在する発電機、例えば隣接する発電所、隣接する風力発電機又は隣接する太陽光発電プラントから生ずるものであってよい。好ましくは、余剰電気エネルギーは電力網から引き出される。特に有利には、余剰電気エネルギーは、電力網に供給された、実際の電力取り込みに対して過剰の電力を調整するために、当該電力網から負の調整エネルギーとして引き出される。本発明による方法のために、好ましくは、風力エネルギー又は太陽エネルギーから発生させられる余剰電気エネルギーが用いられる。

余剰電気エネルギーを効率的に利用するための本発明による方法の場合、エチンを電熱により製造するための装置は、好ましくは余剰電気エネルギーの供給量に依存して運転される。エチンを電熱により製造するための装置は、そのために選択的に、例えば電力市場における目下の電力料金に依存してオン／オフしてよい。代替的に、第一の装置は、その電力消費量が電気エネルギーの目下の過剰量に相当するように可変負荷運転してもよい。

有利な実施形態においては、余剰電気エネルギーを効率的に利用するための本発明による方法は、生成物ガス流用のバッファー貯蔵タンクを含む本発明によるプラントにおいて実施され、かつ制御装置は、第二の装置におけるエチンの発生量が変化した場合に、余剰電気エネルギーの供給量に依存して、第一の装置におけるエチンの発生量を、第二の装置におけるエチンの発生量よりゆっくりと変化させ、かつこれによって生じた生成物ガスの一時的により大きい又はより少ない発生総量を、生成物ガスをバッファー貯蔵タンク内に供給することによってか又は生成物ガスをバッファー貯蔵タンクから取り出すことによって調整するように運転される。その際、バッファー貯蔵タンクは、選択的に第一の装置又は第二の装置に後置接続されていてよい。同じく、双方の装置にバッファー貯蔵タンクが後置接続されていてもよい。この実施形態の場合、第二の装置におけるエチンの発生量は、余剰電気エネルギーの供給量に依存してより素早く変化させられることができ、かつエチンを部分酸化によって製造するための装置が方法に応じて有する負荷変化速度に関する制限を克服することができる。

更なる有利な実施形態においては、エチンを分離するための分離装置においてエチンが減少されたガス流は、第二のエチンを含有する生成物ガス流とともに分離装置に返送される。その際、返送されるガス流の量は、分離装置に供給されるガス流の総量に対するエチンの割合がほぼ一定に保たれるように調節される。特に有利には、返送されたガス流は、第一と第二の生成物ガス流と一緒に分離装置に供給される。方法に応じて、エチンを部分酸化によって製造するための装置からの第一の生成物ガス流は、相当の割合の一酸化炭素を有する。そのうえ、これは一般に、エチンを電熱により製造するための装置からの第二の生成物ガス流よりはるかに低いエチン含量を有する。エチンが減少されたガス流を返送することによって、双方の生成物ガス流のエチン含量の差分を調整することができ、かつ第一と第二の装置からの生成物ガス流の組成の相違に基づく、エチンを発生させるための双方の装置間での負荷分散の移り変わりが分離装置の機能に不利に作用することを回避することができる。

電力網用の調整エネルギーを提供するための本発明による方法は、第一の装置と第二の装置とにおけるエチンの発生量を、分離装置において分離されたエチンの総量が所定の範囲に保たれるように互いに適合させる制御装置を含む本発明によるプラントにおいて実施される。この方法の場合、エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための第一の装置と、エチンを電熱により製造するための第二の装置との両方が部分負荷運転される。調整エネルギーを提供するために、エチンを電熱により製造するための第二の装置の出力は変化させられ、かつ制御装置により、エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための第一の装置の出力は、分離装置において分離されたエチンの総量が所定の範囲に保たれるように適合させられる。

電力網（当該電力網から、エチンを電熱により製造するための装置を運転するための電力が引き出される）に、目下の消費より少ない電気エネルギーが供給される場合、この方法を用いて、エチンを電熱により製造するための装置の出力を調整エネルギーの必要量に応じて減らし、それに即して制御装置によりエチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための装置の出力を高めることによって正の調整エネルギーが提供されることができる。それに対して、電力網に、目下の消費より多くの電気エネルギーが供給される場合、この方法を用いて、エチンを電熱により製造するための装置の出力を調整エネルギーの必要量に応じて高め、それに即して制御装置によりエチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための装置の出力を減らすことによって負の調整エネルギーが提供されることができる。

Claims (14)

1. 余剰電気エネルギーを効率的に利用するためのプラントであって、
   ａ）エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための、第一のエチンを含有する生成物ガス流を発生させる第一の装置、
   ｂ）エチンを電熱により製造するための、第二のエチンを含有する生成物ガス流を発生させる第二の装置、及び
   ｃ）エチンをガス流から分離するための、第一と第二の生成物ガス流の両方が供給される分離装置
   を含む前記プラント。
2. 前記プラントが更に、前記第一の装置と前記第二の装置とにおけるエチンの発生量を、前記分離装置において分離されたエチンの総量が所定の範囲に保たれるように互いに適合させる制御装置を含むことを特徴とする、請求項１記載のプラント。
3. エチンを部分酸化によって製造するための前記第一の装置が少なくとも１つのバーナーを含み、前記バーナーに少なくとも１種の炭化水素と酸素の混合物が供給されることを特徴とする、請求項１又は２記載のプラント。
4. エチンを電熱により製造するための前記第二の装置が、少なくとも１つのアーク反応器を含むことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のプラント。
5. エチンを製造するための前記第一と第二の装置がそれぞれ、生成物ガス流を急冷するための装置を含み、かつ急冷するためのこれらの装置後に得られたガス流が、エチンを分離するための前記分離装置に供給されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のプラント。
6. エチンを製造するための前記第一と第二の装置がそれぞれ、生成物ガス流を急冷するための装置と前記装置に後置接続されたススを分離するための装置とを含み、かつススを分離するための装置後に得られたガス流が、エチンを分離するための前記分離装置に供給されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のプラント。
7. 前記プラントが更に、エチンを電熱により製造するための前記装置とエチンを分離するための前記分離装置との間に、エチンを電熱により製造するための前記装置の生成物ガス流用のバッファー貯蔵タンクを含むことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のプラント。
8. 前記プラントが更に、エチンを部分酸化によって製造するための前記装置とエチンを分離するための前記分離装置との間に、エチンを部分酸化によって製造するための前記装置の生成物ガス流用のバッファー貯蔵タンクを含むことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のプラント。
9. 余剰電気エネルギーを効率的に利用するための方法であって、請求項１から８までのいずれか１項記載のプラントにおいて、エチンを電熱により製造するための前記装置を余剰電気エネルギーにより運転することを特徴とする、前記方法。
10. 前記余剰電気エネルギーを電力網から引き出すことを特徴とする、請求項９記載の方法。
11. 前記余剰電気エネルギーが風力エネルギー又は太陽エネルギーから発生させられることを特徴とする、請求項９又は１０記載の方法。
12. エチンを電熱により製造するための前記装置を、余剰電気エネルギーの供給量に依存して運転することを特徴とする、請求項９から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. エチンを分離するための前記分離装置においてエチンが減少したガス流を、前記第二のエチンを含有する生成物ガス流とともに前記分離装置に返送し、かつ返送される前記ガス流の量を、前記分離装置に供給されるガス流の総量に対するエチンの割合がほぼ一定に保たれるように調節することを特徴とする、請求項９から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 電力網用の調整エネルギーを提供するための方法であって、請求項２から８までのいずれか１項記載のプラントにおいて、エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための前記第一の装置と、エチンを電熱により製造するための前記第二の装置との両方を部分負荷運転し、調整エネルギーを提供するために、エチンを電熱により製造するための前記第二の装置の出力を変化させ、かつ前記制御装置により、エチンを少なくとも１種の炭化水素の部分酸化によって製造するための前記第一の装置の出力を、前記分離装置において分離されたエチンの総量が所定の範囲に保たれるように適合させることを特徴とする、前記方法。