JP3457949B2 - 集中ガス化器と結合させた極低温空気分離ユニットの酸素発生方法及び装置 - Google Patents

集中ガス化器と結合させた極低温空気分離ユニットの酸素発生方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】（技術分野） 本発明は極低温空気分離ユニットと集中ガス化器とを結
合したサイクル発電装置の作動に関するもので、特に集
中ガス化器と結合させた発電装置用の電力需要を変化す
る期間中一定の容量で作動することができる極低温空気
分離ユニットと、集中ガス化器と結合させたサイクル発
電装置が可変発電において作動するときピーク効率を維
持しながらピーク需要期間中の正味の集中ガス化器と結
合させたサイクル発電を最大にするためにその電力消費
を変化するように空気分離ユニットを作動させる方法と
に関するものである。
【０００２】（発明の背景） 上昇するエネルギのコストは代替のエネルギ源を開発す
るための努力を増大させた。この努力の１つの成果は集
中ガス化器と結合させたサイクル発電装置である。
【０００３】集中ガス化器と結合させたサイクル電力装
置による電気の発生は電力コストの減少と、標準の火力
発電よりも低い環境的な影響とを提供する。これらの装
置において、石炭または他の炭素を含む材料は少なくと
も８０容量％酸素の純度を通常有する酸素との部分的な
酸化ガス化反応を受ける。発生されたガスは低硫黄合成
燃料ガスを発生させるために清浄にされる。主として水
素および一酸化炭素からなるこの合成燃料ガスは環境的
放出の少ない電力を発生するためにガスタービン発生装
置において利用され得る。
【０００４】近年、ガス化結合サイクル技術における関
心の増大はガスタービン、石炭ガス化方法、および集中
ガス化器と結合させたサイクル装置において利用される
空気分離装置の高い効率および示された信頼性によって
刺激された。集中ガス化器と結合させたサイクル装置の
これら３つの主要な構成部材の適切な統合は最大運転効
率および最小電力コストを達成するために必須である。
【０００５】集中ガス化器と結合させたサイクル装置は
マンガー氏等の米国特許第４，３２８，００８号および
チャイルド氏等の米国特許第４，０５２，１７６号明細
書に詳細に記載されている。これらの特許の説明は参考
までに本明細書に示されている。
【０００６】集中ガス化器と結合させるサイクル装置を
含んでいる燃焼を基礎にした電力発生装置は電力需要の
変化のため装置設計容量以下の運転の期間を受ける。こ
れらの期間中、かかる装置は設計効率以下で運転する。
集中ガス化器と結合させるサイクル装置の設備選択およ
び方法の設計は、したがって、設計容量ならびに設計か
らずれた、部分負荷または下降状態での運転において比
較的安定な運転を検討しなければならない。
【０００７】空気および窒素結合の集中ガス化器と結合
させたサイクル装置は、とくに装置がまた設計からずれ
て部分負荷でまたは下降状態で運転しなければならない
とき、最大の全体効率でかかる装置を運転する可能性を
有するため好ましい選択である。
【０００８】かかる発電装置の運転は消費者の電気の需
要に依存するため、発電装置に対する酸素入力はしばし
ば電気需要および典型的な日常の電力需要サイクルに生
じる電力需要の減少に沿って変える必要がある。例え
ば、代表的な集中ガス化器と結合サイクル発電所につい
ての夜間電力需要は５０〜７５％である。電力需要の季
節的な需要が同様に生じる。減少された電力需要中、発
電所は部分負荷で、すなわち、ガスタービン燃焼器への
空気および燃料の量を減少することにより「下降」させ
ねばならない。
【０００９】集中ガス化器と結合させたサイクル装置の
出力変化は空気分離ユニットからの生成物の増加または
減少された需要に対応し、空気分離ユニットは装置内で
使用するための酸素および窒素を発生させ、最も重要な
ことは、ガス化器運転に必要とされる酸素の量を発生す
る。また、空気分離ユニットによる増加または減少され
た生成物の発生中、生成物の純化はガス化過程によって
必要とされるレベルかまたはそれ以上である。
【００１０】残念ながら、問題は空気分離ユニットを集
中ガス化器と結合させたサイクル装置と一体化すること
により引き起こされる。集中ガス化器と結合させたサイ
クル装置の出現前に、空気分離ユニットは集中ガス化器
と結合させたサイクルの運転が要求すると同様に厳格に
それらの発生を変化させねばならず、かつそれにしたが
って設計された。完全に一体化された空気分離ユニット
に代表的に置かれた需要は分当たりの容量の約３％で、
時として「ランピング（傾斜）」と呼ばれる発生量の変
化に応答しながら、設計容量の５０％〜１００％の範囲
において運転することができねばならないようになって
いる。
【００１１】問題を示すために、空気分離ユニットの部
分負荷の作動または「下降」の作動中、少ない生成物が
必要とされ、さらに、蒸留塔内の液体は空気供給圧力が
多くの生成物を発生しようとして減少するとき気化す
る。また、気化している液体は酸素が豊富で、それは酸
素および窒素生成物の流れの純度を潜在的に弱めること
ができる。
【００１２】酸素の需要の変化および厳密な純度の要求
にを満たしながら、変化する圧縮供給空気圧力を有する
ことができる空気分離ユニット内の変化をいかに制御す
るかについての問題が生起する。
【００１３】空気分離ユニットに関しては、この空気分
離ユニットの効率がその設計容量でまたはその近傍で運
転してないとき減少するので、ピークからずれた期間中
最善に次ぐレベルで運転せずにピーク負荷要求を満たす
ために酸素発生能力を有するのが望ましい。また、大型
の設備または最適でない運転条件から追加のコストを招
くことなくピーク期間中に設計を超えるレベルに電力発
生を増加できることが望ましい。
【００１４】集中ガス化器と結合させたサイクル発電装
置のガス化器の規準を満たすために一定の純度を維持し
ながら、一体化された空気分離ユニット用の電気の需要
の変化から生じる条件の変動に関係なく空気分離ユニッ
トが効率の良いレベルで酸素を発生し得るような技術を
見い出すことが目的である。
【００１５】参考のためにここに示されたグレニヤ氏の
米国特許第５，５２６，６４７号明細書は液体空気貯蔵
容器および液体酸素貯蔵容器を利用する可変流量で圧力
下のガス状酸素を発生するための方法を開示している。
【００１６】到来する空気は蒸留装置からの生成物と熱
交換することによって熱交換器において冷却される。液
体酸素は蒸留装置から引き出され、蒸発圧力に導き、蒸
発させられ、そして液化される到来空気によって熱交換
器で再過熱される。
【００１７】定格流量に対して圧力下のガス状酸素の需
要の減少中に、蒸留装置によって発生された過剰な液体
酸素は引き出されかつ液体酸素貯蔵容器に送られる。引
き出された液体酸素に量で対応している予め貯蔵された
液体空気の量が蒸留装置に導入される。
【００１８】定格流量に対して圧力下のガス状酸素の需
要の増加中に、要求された過剰酸素が液体酸素貯蔵容器
から液体形状で引き出され、蒸発圧力に導き、そして熱
交換器においてこの圧力で蒸発させられる。かかる蒸発
によって液化された対応する量の空気が液体空気貯蔵容
器中に貯蔵される。
【００１９】この装置の欠点は、一方が液体空気用で、
他方が液体酸素用である２つの貯蔵容器を設け、かつか
かる液化されたガスを搬送するためのラインおよびポン
ピング手段を設ける必要を含んでいる。
【００２０】外部タンクにガスまたは液体の形で酸素を
貯蔵することは高い資本コストを引き起こす。空気分離
ユニットの冷凍部分または冷却ボックスの外で液体Ｏ2
を貯蔵することは適正なレベルに温度を維持するのに大
きな冷凍コストを強いる。
【００２１】参考のためにここに示したドレイ氏の米国
特許第５，２６５，４２９号明細書は液体酸素の引出し
によって発生される冷凍および極低温整流プラントにお
ける運転変動の両方の損失を解決するために生成物ボイ
ラと極低温整流との間の液体空気貯蔵タンクの使用と結
合される液体Ｏ2からガス状Ｏ2を発生するのに生成物ボ
イラを使用することによってプラントで変化する負荷を
開示している。
【００２２】参考のためにここに示したダルドー氏の米
国特許第５，４３７，１６０号明細書は発生された酸素
が統合された気化器と結合されるサイクル電力装置にお
いて使用される空気分離ユニットを示している。
【００２３】ダルドー氏のものは生成物の需要または供
給された空気の流量が増加するとき蒸留装置に過剰な液
体を含んだ窒素を導入することによりそして過剰な液体
の豊富な窒素を蒸留装置から引き出しかつこの液体を異
性物の需要または供給された空気の流量が減少するとき
貯蔵することによって酸素の需要が変化する問題を解決
することを提案している。
【００２４】本発明は先進の発電装置を運転するための
改良された方法の必要を検討し、かつとくに種々の負荷
条件において空気および酸素一体の集中ガス化器と結合
されたサイクル装置および空気分離ユニット装置の改良
された運転を記載している。
【００２５】（発明の概要） 本発明は電力を発生する集中ガス化器と結合されたサイ
クル装置と、部分酸化ガス化ユニット気化器に酸素を供
給する空気分離ユニットと、必要とされるまで液体酸素
または液体空気を貯蔵する貯蔵部分とからなっている一
体化装置である。好適な実施例において、空気分離ユニ
ットは１日中一定量の酸素発生で運転するように設計さ
れ、発生された過剰な酸素は空気分離ユニットの冷凍部
分または冷却ボックス内で貯蔵されている。これは、上
昇および下降過程と連係する生成物純度の変化により発
生し得る問題を回避し、常に設計容量でまたはその近傍
で運転しているので小さい空気分離ユニットの運転にお
ける資本コストの節約を可能にし、そしてピーク需要期
間中に空気分離ユニットによる電力消費の減少を可能に
している。
【００２６】（発明を実施するための最良の形態） 生成物の品質および運転効率ならびに資本および運転コ
ストの節約に関連する改善が、酸素生成量が安定した最
適レベルで１日中維持されかつ発電所の運転条件の変化
中顕著な変動を受けない方法を利用することによって得
ることができる。空気分離ユニットはより低いエネルギ
コストの期間中にその容量でまたはその近傍で運転しそ
して時々「負荷追随」と呼ばれるガス化器の酸素要求に
整合するために代表的に要求される酸素発生量の変化は
可変電力コストが最も低い期間中に発生された貯蔵され
た量の酸素を利用することにより平らにされ得る。
【００２７】本発明の方法および装置は空気が集中ガス
化器と結合されたサイクル装置の負荷条件に拘わらず空
気分離ユニットのプラント設計量でまたは比較的その近
傍で酸素の多いかつ窒素の多い流れに分離される少なく
とも１つの蒸留塔を備えている極低温蒸留を使用して空
気を分離する。本方法はエネルギ需要および供給空気圧
力の増加および生成物需要および供給空気圧力の減少の
両方中に生成物の純度条件を実質上維持する。同様に、
酸素発生の「上昇または下降」として言及される急激な
増分に関連付けられる問題は回避される。
【００２８】本発明による装置の顕著な利点は高いエネ
ルギコスト期間から低いエネルギコスト期間に酸素分離
および液化のためのエネルギ利用を変化させることにあ
る。
【００２９】空気分離ユニットはピークをずれた期間中
に有効な量で液体空気または酸素を発生し続ける。即座
の使用に必要とされない液体空気または酸素は下方の蒸
留塔の底部に貯蔵され、塔の底部においてまたは空気分
離ユニットの冷却ボックス内の別個の貯蔵タンク内の液
体レベルを増加し、そして貯蔵された液体空気または酸
素の冷凍値が空気分離ユニットの容量を増加しかつ同時
に供給のために蒸発させられた追加の酸素をガス化器に
供給するように回収されるピーク期間中に使用のために
保持される。
【００３０】ピーク期間中、同一のまたは増加された量
の酸素がガス化器に供給される一方、コンプレッサを介
して空気分離ユニットに通過する空気の量を減少するか
または維持しそして低いエネルギコストのピークをずれ
た期間中に発生された貯蔵された液体酸素を利用する酸
素出力を補完する。これは、より少ない空気がピーク電
力需要期間中に圧縮されねばならないので酸素のトン当
たりの消費される電力は減少する。このことは、液体酸
素発生と一般に関連付けられる電力コストペナルティを
著しく減少する。
【００３１】本発明の方法は、空気分離ユニットおよび
この空気分離ユニットの電力需要の所定の大きさが酸素
需要が変化する場合に標準の設計および運転より著しく
少ないように柔軟でかつ有効である。ピークからピーク
ずれの空気分離ユニットの電力需要の変化は、何時でも
最適にまたはその近傍で燃焼タービンおよびガス化ユニ
ットを走行しながら全体の出力変化以上まで変化するよ
うな集中ガス化器と結合されたサイクル装置を許容す
る。
【００３２】図１に関し、供給空気流３０が空気圧縮機
１において圧縮され、該供給空気流３０から水蒸気およ
び二酸化炭素のような低い沸点の不純物が除去される。
生じた圧縮空気流２は、主熱交換器３に入り、主熱交換
器３において圧縮空気２は復帰流との間接的な熱交換に
よって大気温度から整流による空気分離に適する温度に
冷却される。冷却された圧縮空気はライン４を通って熱
交換器３を出てそして二重塔蒸留装置の高圧蒸留塔５に
入る。
【００３３】高圧蒸留塔５内で、冷却された圧縮空気は
上方の高圧窒素蒸気２５と酸素の多い底部液体１１に分
別蒸留される。高圧窒素蒸気２５は低圧蒸留塔６の底部
に入り、低圧蒸留塔６において高圧窒素蒸気２５はライ
ン２７を通って低圧蒸留塔６に導入される沸騰液体酸素
と間接的な熱交換によって凝縮される。凝縮された液体
窒素の部分２６は蒸留塔６の底部に存在しかつ高圧蒸留
塔５に純粋な還流液として戻される。液体窒素の第２の
部分１２は凝縮された液体窒素２６から分離されそして
熱交換器８に入り、熱交換器８において氷点以下に冷却
されそしてライン１７を介して蒸留塔６に入る。
【００３４】一般に、４１０〜６１５ＫＰａ（６０〜９
０ｐｓｉａ）の範囲内の絶対圧力において、上方の低圧
ガス状窒素７は低圧蒸留塔６を出てそして熱交換器８を
通って再循環され、部分加熱後にライン９を介して出て
そして熱交換器３に入る。窒素流７の冷凍値は熱交換器
８および３によって回復される。窒素流７はライン２３
を通って熱交換器３を出るが、ライン２３において、窒
素流７は通気されるかまたは集中ガス化器と結合サイク
ル装置（図示せず）の燃焼タービンに任意に搬送され
る。
【００３５】蒸留塔５を出る酸素の多い底部液体１１は
熱交換器８に入り、該熱交換器８で冷却され、そして出
口流２７はさらに蒸留および純化のために蒸留塔６の中
間位置に供給される。
【００３６】圧縮機１を出る供給空気の部分１９はライ
ン２から分離され、任意にブースター圧縮機（図示せ
ず）を通過した後、熱交換器３に供給される。熱交換器
３において冷却した後、空気流１４は熱交換器３を出
て、そして膨張器１５に入り、該膨張器１５において空
気流１４は膨張され、冷却され、そして冷凍を備えかつ
蒸留を介して成分を分離すためにライン１６を介して蒸
留塔６の中間位置に導入される。
【００３７】凝縮された窒素還流液１７および減少され
た圧力の酸素の多い底部液体２７は上方に出るガス状窒
素流７を発生するために蒸留塔６において蒸留される。
液体酸素流はライン１８を介して蒸留塔６を出る。過剰
の液体酸素は低圧蒸留塔６の底部に貯蔵することができ
る。任意に、低圧蒸留塔６からの液体酸素はライン１３
を介して容器２１に搬送され、そして集合ガス化器を結
合させたサイクル装置の高い電力需要の期間中に必要と
されるときまで液体酸素貯蔵容器２１内に貯蔵される。
必要とされるとき、液体酸素はライン２４を通って貯蔵
容器２１から再循環されかつ熱交換器８に入る液体酸素
流１８と結合される。
【００３８】任意に、貯蔵容器２１からの液体酸素はラ
イン２９を介して加圧される液体酸素ポンプ３１に搬送
され、液体酸素ポンプ３１において液圧酸素は加圧さ
れ、そしてライン３２を通って、蒸発器３３に流れ、蒸
発器３３において、液体酸素は圧縮に必要とされる電力
を消費することなしに高圧酸素生成物を供給するために
蒸発される。ライン３４を通って蒸発器３３を出る高圧
のガス状酸素はライン３５を介して圧縮機２２を出る酸
素生成物流２０と結合され得る。
【００３９】貯蔵容器２１は空気分離装置の冷却ボック
ス内に配置され、従って、僅かなエネルギ消費で酸素を
液体状態に維持する。好適な実施例において、発生され
た過剰液体酸素は低圧蒸留塔６の底部に貯蔵され得る。
【００４０】ガス状酸素１８は蒸留塔６を出てそして熱
交換器８に入り、流出流１０として熱交換器８を出て、
そして熱交換器３に入りかつライン２８を介して出る。
酸素は次いで圧縮機２２において圧縮されかつ高圧ガス
状酸素２０として出る。
【００４１】ピーク需要の期間中にあるラインの流れは
増加する。例として、ライン２中の圧縮空気流は約１０
０％の通常の流れから約１０５％にそしてライン１８中
の液体酸素の流れは約１００％から約１１５％へ増加し
得る。逆に、ピークをずれた時間帯にはあるラインの流
れは減少する。ライン２中の圧縮空気流は約１００％の
通常の流れから９５％にそしてライン１８中の液体酸素
流は約１００％から約８５％に減少する。
【００４２】本装置の上昇または下降若しくは入力流量
の変化から生じる生成物の品質の変化の上昇または下降
の関連を回避するためにライン２を通って装置に入る空
気流を一定のレベルに維持するのが好ましい。本装置は
入力流量の変化が装置効率の顕著な変動を生じないよう
に十分に柔軟性がある。
【００４３】実施例１ この実施例において、上述したような一定運転の空気分
離ユニットを利用するエネルギ消費の差異を決定するた
めに種々のエネルギ消費が計算されている。その結果は
２メガワット（ＭＷ）の付加的な正味電力出力が開示し
た一体化装置を使用して得られることを示している。こ
れは、また、同様な正味の電力出力が酸素需要が変化す
るとき関連の低い資本コストで同様な空気分離ユニット
から得られることができることを示している。
【００４４】
【表１】
【００４５】 ［図面の簡単な説明］
【図１】本発明の方法の概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−228852（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−10697（ＪＰ，Ａ) 特許2601631（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4224045（ＵＳ，Ａ) 米国特許4421536（ＵＳ，Ａ) 米国特許4785621（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02C 1/00 - 9/58 F25J 3/04

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 集中ガス化器と結合されたサイクル発電
    装置に燃料を供給するための酸素発生方法において、 （ａ）液体酸素を発生するために蒸留手段と熱交換手段
    とからなっている空気分離ユニット内で空気を極低温で
    蒸留させ、 （ｂ）前記液体酸素のすべてまたは１部分を高圧ガス状
    酸素を発生させるために蒸発させ、該高圧ガス状酸素を
    燃料として作用させるため集中ガス化器と結合させたサ
    イクル発電装置に搬送させ、 （ｃ）蒸発しない液体酸素の部分を高圧ガス状酸素を発
    生するのに必要とされるとき蒸発させるために集めかつ
    貯蔵し、そして空気分離ユニット中の極低温蒸留を受け
    る空気との間接的な熱交換においてその液体酸素の蒸発
    を行わせ、 （ｄ）定格発電需要に関して、集中ガス化器と結合させ
    たサイクル発電装置からの電力需要の減少中に、液体酸
    素を集中ガス化器と結合されたサイクル発電装置によっ
    て必要とされる液体酸素よりも多く発生させ、 （ｅ）定格発電需要に関して、集中ガス化器と結合させ
    たサイクル発電装置からの電力需要の増加中に、集めら
    れた液体酸素を貯蔵所から引き出しかつ空気分離ユニッ
    トにおいて極低温蒸留を受ける空気との間接的な熱交換
    によって高められた圧力で蒸発させ、それによりその定
    格発電需要に対して空気分離ユニットの電力消費を減少
    させかつ集中ガス化器と結合されたサイクル発電装置か
    ら発生される正味の電力を増加させることを特徴とする
    集中ガス化器と結合させた極低温空気分離ユニットの酸
    素発生方法。
  2. 【請求項２】 酸素を可変流量において発生させること
    を特徴とする請求項１に記載の酸素発生方法。
  3. 【請求項３】 酸素を一定の流量において発生させるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の酸素発生方法。
  4. 【請求項４】 集中ガス化器と結合させたサイクル発電
    装置に燃料を供給するための酸素発生装置であって、該
    装置を集中ガス化器と結合させたサイクル発電装置から
    独立して実質上一定の量で酸素を発生する空気分離ユニ
    ットから構成し、空気分離ユニットには低い発電期間中
    に集中ガス化器と結合させたサイクル発電装置によって
    要求される量の酸素より多く発生させた酸素を液体酸素
    として貯蔵しかつ保持する手段を備え、さらに空気分離
    ユニットにはその液体酸素を集中ガス化器と結合させた
    サイクル発電装置によって使用させるために高圧ガス状
    酸素に変換させる手段を設けたことを特徴とする集中ガ
    ス化器と結合させた極低温空気分離ユニットの酸素発生
    装置。
  5. 【請求項５】 集中ガス化器と結合させた空気分離ユニ
    ットとサイクル発電装置において空気分離ユニットのエ
    ネルギ消費を時間的に変化させるエネルギ消費の時間的
    変化方法において、 （ａ）集中ガス化器と結合させたサイクル発電装置にお
    ける電力需要に関係なく実質上一定の量で液体酸素を発
    生させ、 （ｂ）前記空気分離ユニット内で集中ガス化器と結合さ
    せたサイクル発電装置によって要求された液体酸素より
    多く発生させた量の液体酸素を集めかつ貯蔵し、 （ｃ）集中ガス化器と結合させたサイクル発電装置のピ
    ーク電力需要の期間中、前記貯蔵された過剰液体酸素の
    少なくとも１部分を引出し、前記液体酸素を高められた
    圧力で蒸発させ、そして前記空気分離ユニットに入って
    来る空気との間接的な熱交換において高圧ガス状酸素を
    形成し、それによりその定格の要求に対して前記空気分
    離ユニットの電力消費を減少しかつ集中ガス化器と結合
    させたサイクル発電装置から発生される正味の電力を増
    加させることを特徴とするエネルギ消費の時間的変化方
    法。
JP2000530698A 1998-02-04 1999-02-03 集中ガス化器と結合させた極低温空気分離ユニットの酸素発生方法及び装置 Expired - Lifetime JP3457949B2 (ja)

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