JP5215185B2 - 少なくとも１つのガスタービンにより製造される酸素含有ガスを用いて合成ガスを製造するための方法 - Google Patents

少なくとも１つのガスタービンにより製造される酸素含有ガスを用いて合成ガスを製造するための方法 Download PDF

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Description

本発明は、合成ガスおよび電力を製造するための方法に関し、合成ガス生成反応を可能にする燃焼に必要な酸化剤が、少なくとも１つのガスタービンにより製造される酸素含有ガスから成る。
本発明は、種々の分野の取り組み、例えばヘビーケミカル、石油化学工業、精錬業、エネルギー産業、環境保全に関連する全ての分野に適用する。全てのこれらの工業は、重質炭化水素を合成ガスの製造に利用することができる化学物質に変換することができる。合成ガスとは、水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）、炭化水素の部分酸化（ＰＯＸ）、オートサーマル改質（ＡＴＲ）、対流改質（convective reforming）、二次改質、または熱交換改質により得られる少なくともＣＯ、Ｈ2、ＣＨ4、ＣＯ2、Ｎ2、ＡｒおよびＨ2Ｏを含むガス混合物である。全てのこれらの方法は、合成ガス生成反応に必要な熱を供給するために燃焼反応を行う。
本発明は、少なくとも１つのガスタービンも存在する合成ガス製造所に関する。本発明によれば、「ガスタービン」（ＧＴ）とは、少なくとも１つの空気圧縮機、１つの燃焼チャンバ、およびフラッシュタービン（flash turbine）を含むデバイスを意味する。この製造所は複数のガスタービンを備えていてもよい。ガスタービンにおいて、生成する圧縮空気を、少なくとも１種の燃料と共にタービンの燃焼チャンバ中に導入し、生成した煙道ガスはフラッシュタービンを通過し、発電機を用いて電力が発生する。一般的に、これらのガスは廃熱ボイラを通過し、蒸気を発生する。ガスタービンの燃料は通常天然ガスであるが、合成ガス製造ユニットにより生成する水素若しくは合成ガス、または液体炭化水素燃料を含んでいてもよい。
合成ガス製造プロセスと熱電併給ユニットを組み合わせることにより、改善されたエネルギー効率を有する合成ガス製造方法を提供することが本発明の目的である。
この目的のために、本発明は、合成ガスを製造するためのユニットの燃焼デバイスに、ガスタービンにより生成する排ガスからの酸化剤を供給するための方法であって、燃焼デバイスに導入される上記排ガス流を、合成ガス製造ユニットの炉における酸素濃度および／または圧力の値により制御する方法に関する。
本発明は、また、上記方法を実行するためのデバイスに関する。
本発明の他の特徴と利点は、以下に続く記載を読むことにより明らかになるであろう。本発明の例示的な実施形態は限定されない例として提供され、添付する図面により示される。
従って、本発明は、少なくとも１つのガスタービンを備える製造所において合成ガスを製造するための方法に関し、ガスタービンにより生成する酸素含有ガスを、合成ガスを製造するために行われる燃焼反応において利用し、本発明によれば、合成ガス生成反応を可能にする燃焼に必要な酸化剤は、少なくとも１つのガスタービンにより生成する酸素含有ガスから成る。粗合成ガスの製造を可能にする設備は、水蒸気改質リアクタ（ＳＭＲ）であってよく、これに二次改質リアクタ、または炭化水素を用いる部分酸化（ＰＯＸ）リアクタが続き、粗合成ガスを製造する。粗合成ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素および他の化合物を含む。ＡＴＲプロセスまたは対流改質プロセスを行うためのリアクタを備えていてもよい。これらの合成ガス生成反応は高温で行われ、合成反応を実行し、維持するためにリアクタにおける燃焼を必要とする。この燃焼は、酸化剤の存在を必要とし、本発明によれば、これはガスタービンから少なくとも部分的に生じる。この燃焼を、タービンからの排ガスおよび酸化剤を供給したバーナを用いて行う。酸化剤は通常、天然ガスであるが、炭化水素を含む液体または固体であってもよい。
つまり、上記酸化剤は酸素含有ガスであり、これは完全にまたは部分的にガスタービンからの排ガスから成る。実際に、ガスタービンは、湿性ガスについて１３体積％〜１６体積％の酸素を一般的に含む排ガスを生成する。本発明によれば、排ガスを回収し、合成ガス製造反応に必要な燃焼を行うためのＳＭＲ、ＡＴＲ、ＰＯＸまたは対流改質装置のバーナに導入する。これらの排ガスは一般的に、４５０°〜６５０°の温度を有する。
本発明による方法の実行の１つの直接の結果は、合成ガス生成反応を可能にする燃焼中に生成する熱を、その後、蒸気または予熱空気を生成するために用いることができることである。実際に、ある場合には、ガスタービンからの酸素含有ガスの使用に起因して、合成ガス製造方法は、合成ガス製造において実行される燃焼のために空気を用いるのみである方法と比較して、余剰の熱を生成する。この余剰の熱を、あらゆるタイプの流体、特に水または水蒸気または空気を加熱することに利用することができる。これは、熱交換器中で後者の流体を、合成ガスリアクタにおける燃焼により生成する合成ガスおよび／若しくは燃料ガス、並びに／またはガスタービンにおける燃焼により生成する燃料ガスと接触させることによる。
本発明の代替によれば、ガスタービンにより生成する酸素含有ガスの一部を、廃熱回収ユニットにおいて用いることができる。この代替は、ガスタービンが、合成ガス生成反応を可能にするために必要とされる燃焼に必要な量よりも多い酸素含有ガスの量を生成する場合に適用される。その後、余剰の酸素含有ガスを、廃熱回収ユニットにより行われる燃焼における酸化剤として用いることができる。本発明によれば、廃熱回収ユニットは、合成ガス製造デバイスからの燃焼ガス廃熱回収領域であり得る。この領域は全ての合成ガス製造所に存在しており、合成ガス生成反応を可能にする燃焼により生じる排ガスから熱を回収する働きをする。この領域で行われる燃焼は、合成ガスの製造およびガスタービンにより生成する酸素含有ガスの製造に用いられる炭化水素の燃焼である。この領域を、本発明においては燃焼ガス廃熱回収領域と呼ぶ。廃熱回収ユニットは、また、蒸気製造ユニットまたは排熱回収熱交換器（ＨＲＳＧ）であり得る。この場合に、生じる蒸気を、蒸気タービンを用いて電力を発生させるために用いることができ、また、蒸気を用いる工業プロセスに用いてもよい（この場合には、製造所から輸送される製品である）。廃熱回収ユニットは、空気予熱器であってもよい。
本発明の特定の実施形態によれば、ガスタービンの圧縮機により圧縮された空気を、合成ガス製造設備の対流領域に組み込まれている熱交換器において加熱することができる。
本発明によれば、合成ガス製造ユニットのバーナに導入される、タービンからの排ガス流を制御することができる。この制御を、タービンから燃焼デバイスに排ガスを分配するためのデバイスに配置された少なくとも１つの制御手段により行うことができる。これは、このガスの分配ラインに位置するバルブまたはルーバーであり得るか、または合成ガス製造ユニットからの排ガスの出口に位置する抽気ファンであってもよい。この抽気ファンは合成ガス製造ユニットの燃焼炉内に真空を生じさせ、タービンから合成ガス製造ユニットのバーナへの排ガスの吸引を間接的に引き起こす。
好ましくは、燃焼デバイスに導入される排ガス流を、合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバの下流の酸素濃度が乾燥ガスの２体積％〜３体積％となり、および／または合成ガス製造ユニットの炉内の圧力が５ｍｍ〜−１５ｍｍＨ2Ｏとなるように制御する。実際には、酸素圧力および／または濃度センサを一般的に合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバの下流に配置し、この濃度とこの圧力を測定する。上記センサを、フィードバックループにより燃焼デバイスに導入される排ガス流を制御するための手段に接続して、タービンからの排ガスの導入を上記濃度および／または上記圧力にサーボ制御する。
合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバは、しばしば、大気圧に対して真空下にあるため、本発明は有利にはこの性質を用いて、ガスタービンから合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバのバーナへの排ガスの導入を確実にする。これらは容易に理解できる。すなわち、バーナに排ガスを導入するために圧縮手段が必要ない。
本発明によれば、合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバへの、合成ガス生成反応を起こすことを可能にする燃焼のために必要な酸素含有ガスの導入を制御することも可能である。すなわち、
ガスタービンが稼動している際に、ガスタービンにより生じる酸素含有ガスの少なくとも一部を、本発明の方法により合成ガス製造デバイスの燃焼チャンバに導入し、
ガスタービンが稼動していない場合には、大気中の空気または酸素を合成ガス製造デバイスの燃焼チャンバに導入する。このことは、ガスタービンが稼動状態にない場合、例えばシャットダウンしている場合に、酸素含有ガスの合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバへの導入を維持するのに役立つ。この場合において、燃焼チャンバにおいて用いられる酸素含有ガスは大気中の空気であってよい。この空気は一般的に押込ファンを用いて導入される。反応器への導入前に、この空気を好ましくは、ガスタービンから出る酸素含有ガスの温度にまで加熱する。これは約４５０℃〜６５０℃であり、例えばバーナを用いる。第２の酸素含有ガスは、空気分離ユニット（ＡＳＵ）から流出する加圧酸素であってもよく、これは酸素燃焼を行うことと等価である。この酸素を合成ガス製造デバイスの第２の改質装置に導入してもよい。
特定の実施形態によれば、本方法は、また、
ガスタービンが稼動状態にある場合には、ガスタービンにより生じる酸素含有ガスの少なくとも一部を、燃焼ガス廃熱回収領域および／または蒸気生成ユニットに導入し、
ガスタービンが稼動状態にない場合には、大気中の空気を、燃焼ガス廃熱回収領域および／または蒸気生成ユニットに導入する
ことを備える。
一般的に、大気中の空気を、合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバ、燃焼ガス廃熱回収領域および／または蒸気生成ユニットに導入する前に加熱する。大気中の空気を一般的にバーナにより加熱する。燃焼ガス廃熱回収領域および／または蒸気生成ユニットに導入される大気中の空気を、合成ガス製造デバイスにより生じる排ガスの少なくとも一部が供給されるバーナを用いて加熱することができる。上記排ガスの再循環は、ＮＯx分圧を減じながら蒸気の生成を高めるために役立つ。
本発明は、さらに、上記した制御された供給方法を行うために、合成ガスを製造するためのユニットの燃焼デバイスに、ガスタービンにより生じる排ガスからの酸化剤を供給するためのデバイスに関する。上記デバイスは、少なくとも２つのラインから成る。すなわち、
第１のラインは、
・ガスタービンと協働し、排ガスの上記第１のラインへの導入を可能にする開口部と、
・第２のラインと協働し、第１のライン中に存在するガスの第２のラインへの排除を可能にする開口部と、
・上記ライン中に存在するガスの大気への排除を可能にする開口部と
を含み、
第２のラインは、
・第１のラインと協働し、排ガスの上記第２のラインへの導入を可能にする開口部と、
・第２の酸素含有ガスの上記第２のラインへの導入を可能にする開口部と、
・第２の酸素含有ガスの第２のラインへの導入を可能にする開口部を制御し、開口部の開口または閉鎖のいずれかを可能にする手段と、
・第２のライン中に存在する酸素含有ガスの、合成ガス製造デバイスの燃焼チャンバへの排除を可能にする開口部と、
・排ガス流を調節するための手段と
を含む。
第２の酸素含有ガスを導入するための開口部を制御するための手段のうちの１つはハッチである。このハッチは、上記開口部を開きまたは閉じる働きをする。これは、第２の酸素含有ガスをラインに導入するために開かれ、また、第２の酸素含有ガスのラインへの導入を防止するために閉じられる。第２の酸素含有ガスを導入する働きをする開口部を制御するための他の手段はエアブロワである。
第２のラインへの排ガス流を調節するための手段は、一般的に、インレット可動案内羽根（inlet guide vane）またはルーバーから成る。調節はタービンからの排ガス流の全停止にまで及び得る。本発明の好ましい実施形態によれば、ガスタービン（３）から第２のラインへの排ガス流を調節するための手段を、合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバの下流に設置された酸素圧力および／または濃度センサによりサーボ制御する。
本発明は、また、タービンからの排ガスおよび第２の酸素含有ガスの、合成ガス製造ユニットの燃焼デバイス、燃焼ガス廃熱回収領域、および／または蒸気生成ユニットへの分配を可能にする前記デバイスの代替に関する。この代替によれば、デバイスは３つのラインを含み、
第１のラインは、第３のラインと協働し、第１のライン中に存在するガスの第３のラインへの排除を可能にする他の開口部を含み、
第３のラインは、
・第１のラインと協働し、主の酸素含有ガスの上記第３のラインへの導入を可能にする開口部と、
・第２の酸素含有ガスの上記第２のラインへの導入を可能にする開口部と、
・第２の酸素含有ガスの第３のラインへの導入を可能にする開口部を制御し、開口部の開口または閉鎖のいずれかを可能にする手段と、
・第３のライン中に存在する酸素含有ガスの、燃焼ガス廃熱回収領域および／または蒸気生成ユニットへの排除を可能にする開口部と
を含む。
このデバイスは、合成ガス製造デバイスの燃焼チャンバへの、上記した合成ガス生成反応を可能にする燃焼に必要な酸素含有ガスの導入を制御するための方法を行うのに適している。これは、合成ガスユニットの燃焼チャンバおよび蒸気生成ユニットのボイラに導入される酸素含有ガスの種類を選択する働きをする。酸素含有ガスの第３のラインへの導入を可能にする開口部を制御するための手段は、第２のラインについて記載したものと同じタイプである。第３のラインは排ガス流を調節するための手段を含んでいてもよく、この調節手段は一般的に、インレット案内羽根またはルーバーから成る。
代替デバイスの第１のラインは、ガスタービンからの排ガスを、第２のラインと第３のラインとに分配するための手段を含んでいてもよく、好ましくは、上記分配手段を、合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバの下流に設置された酸素濃度センサによりサーボ制御する。つまり、合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバの下流の酸素濃度があまりにも低い場合には、ガスタービンからより多くの酸素含有排ガスを、合成ガス製造ユニットの燃焼デバイスに通じる第２のラインに導入することができ、第３のラインにはより少ない酸素含有ガスを導入する。
第１のラインは、上記ライン中に存在する酸素含有ガスの大気への排除を可能にする開口部を含む。本発明によれば、第１のライン中に存在するガスの大気への排除は、ガスタービンが部分的に負荷を受けているか、負荷を受けておらず、排ガスを生成しない場合に行われる。ガスの部分排除または完全排除を、ガスタービンが稼動しているが、合成ガス製造デバイスが部分的に負荷を受けているか、シャットダウンされている場合に行うことができる。
上記デバイスは、通常は、第２のラインと第３のラインに位置するダクトバーナを含む。これらのバーナは、酸素含有ガスを加熱する働きをし、また、これは、酸素含有ガスが大気中の空気または酸素である場合に、または蒸気生成が、第３のライン中に存在する主の酸素含有ガスを加熱することにより向上する場合に特に有用である。つまり、バーナは、一般的に、ライン中の第２の酸素含有ガスの流れ方向と比較して、ラインへの第２の酸素含有ガスの導入を可能にする開口部の下流の第２のラインと第３のラインに配置される。
好ましくは、第１のラインは、ライン中に存在する酸素含有ガスの大気への排除を可能にする開口部を含む。ライン中に存在する酸素含有ガスの大気への排除を可能にするこの開口部は、一般的に、排ガス流を調節するための手段を含むラインと協働する。
図１〜８は、本発明によるデバイスと方法を示す。
図１は、本発明による合成ガス製造プロセス、および電力、蒸気および予熱空気の製造を可能にするプロセスの概略図を示す。合成ガス１を炭化水素１８から、ユニット７において、水蒸気改質により、部分酸化若しくはガス化により、オートサーマル改質若しくは二次改質により、対流改質により、または熱交換改質により、炭化水素燃料を用いて製造する。燃焼には酸化剤として酸素含有ガス２１を用い、これは部分的に、ガスタービン３により生じる排ガス２である。このガスタービンには、合成ガス生成反応に用いられるものと同じ炭化水素１８、またはこれと異なる炭化水素７１を供給し、電力３８および／または圧縮空気３５を生じる。
ユニット７の燃焼チャンバ中で行われる合成ガス生成反応を可能にする燃焼により放出される熱を、燃焼ガス廃熱回収領域５において回収し、ここで蒸気６を生成し、圧縮空気３５を加熱して予熱空気２７を生成し、後者は、ガスタービン３の圧縮機により生じる圧縮空気３５に由来する。蒸気６を、合成ガス製造デバイスからの蒸気を回収するためのユニット１７により既に生じている蒸気６１に加え、上記ユニット１７は、冷却された合成ガス１９からの廃熱を回収することを意図されている。ガスタービン３から流出するガスタービンからの排ガス２の一部２２を廃熱回収ユニット５に、特に合成ガス製造ユニット７の始動の間供給する。ガスタービン３が作動しておらず、酸素含有排ガス２を生じない場合には、大気中の空気８を、ユニット７の燃焼チャンバおよび／または燃焼ガス廃熱回収領域５において酸化剤として使用する。この空気８を一般的に、燃料１８および／または７１を供給したバーナ１２０および２０を用いて予熱する。この場合において、タービン３からの排ガス２を排気筒４０を通して排除する。この配置において、蒸気回収ユニット１７と燃焼ガス廃熱回収領域５により生じる蒸気１２の一部１２１を直接的に輸送することができる一方で、他の部分４１を、蒸気タービン５０において膨張させて、さらなる電力３９と復水５１を生じた後に輸送することができる。生じた蒸気１２の他の部分１４は、ユニット７へのその導入前に、炭化水素１８と混合物４８を生ずる。
いずれの合成ガス製造ユニットにおいても排ガス３７を生じ、ファン２９により排気筒４０１へ抽気する。冷却された合成ガス１９を二酸化炭素ストリッパ１９１において精製して、約５０ｐｐｍの二酸化炭素を含む合成ガス１９２を生成する。除去したＣＯ2の一部２８０または全て２８０を、合成ガス製造デバイスへと、炭化水素および蒸気１４と混合することにより再循環させることができる。除去したＣＯ2の他の部分２８４または全て２８０を圧縮し、輸送のために液化してもよい。低ＣＯ2合成ガスの一部３４を、ガスタービン３における燃料として用いる。低ＣＯ2合成ガス１９２の残部を精製ユニット２６において精製し、ここで、Ｈ2／ＣＯ比を調整して精製合成ガス２８を生成し、この一部２８６を輸送する。低ＣＯ2合成ガス１９２から取り出された生成物３３を、合成ガス製造ユニット７に再循環させてもよい。精製合成ガス２８を、Ｈ2およびＣＯ分離ユニット２６１に導入して、一方で輸送または圧縮のための精製水素２８１を生じさせ、他方で輸送または圧縮のための精製ＣＯ２８２を生じさせてもよい。分離ユニット２６１から流出するパージされたガスの混合物を、合成ガス製造デバイスの燃焼チャンバにおける燃料として用いる。
本発明を行うために、アナライザ１００が燃焼チャンバの下流の領域における加圧酸素濃度を測定し、圧力センサ１０４が炉７の出口における酸素濃度を測定する。ガスタービン１０３からの排ガス流を制御するための手段をフィードバックループ１０１により、アナライザ１００およびセンサ１００により示される値にサーボ制御し、ガスタービン３からの排ガス流２を増加させるか減少させて、合成ガス製造ユニットの酸素圧力および濃度を通常の稼動限界の範囲内に維持する。同様に、合成ガス製造ユニットから燃焼生成物３７を抽気するためのファン２９を、フィードバックループ１０２によりセンサ１０４およびアナライザ１００により示される値にサーボ制御し、その速度を速めるか減衰させて、ガスタービン３からの排ガス流２に影響を与える。
図２は図１におけるものと同様の合成ガス製造プロセス概略図を示し、このプロセスは炭化水素燃料４２とガスタービン３からの酸素含有排ガス２の一部２２が供給される蒸気生成ユニット１３を含む。蒸気生成ユニット１３は一般的に、ガスタービン３または合成ガス製造デバイス７において用いることができない重油（heavy fuel）または固体燃料を燃焼するボイラである。蒸気生成ユニット１３は蒸気を生成し、この一部４７を合成ガス製造デバイスからの蒸気を回収するためのユニット１７により生成する蒸気１２と混合し、残部４３をタービン５０により膨張させた蒸気４１と混合する。蒸気生成ユニット１３からの排ガス４４をユニット７からの燃焼生成物３７と混合する。
図１および図２の２つの形態について、ガスタービンを停止する場合でも、大気中の空気の使用により、合成ガス製造を継続することができる。また、放出排気筒４０を用いて合成ガス製造ユニットからガスタービンを切り離すことも可能である。例えば、合成ガス製造ユニットが稼動を停止する場合でも、ガスタービンをなお電力および蒸気を生成するために用いることができる。
図３は、図１のものと同様の合成ガス製造プロセスの概略図を示し、このプロセスは単一の酸素含有ガスラインを含む。このフローチャートは、合成ガス生成反応に必要な燃焼に必要とされる熱が、ガスタービンからの全ての酸素含有ガスにより十分に供給されている場合に用いる。
図４は、図１の方法に対応する概略図を示し、主の酸素含有ガスと第２の酸素含有ガスを、合成ガス製造デバイス７の燃焼チャンバに分配するためのデバイスの詳細を示す。３つのライン９、９１および９２は、タービン３からの酸素含有排ガス２または大気中の空気８の分配を、以下の開口部を介して可能にする：
開口部１０は、ガスタービン３からの酸素含有ガス２のライン９への導入を可能にし、
開口部１６１および開口部２１１は、それぞれ、酸素含有ガス２の一部２１のライン９１への、酸素含有排ガス２の一部２２のライン９２への導入を可能にし、
ルーバー１６および４は、ガス２１およびガス２２のフローの調節を可能にし、
開口部１１および開口部１１２は、それぞれ、大気中の空気８の、ライン９１およびライン９２への導入を可能にし、
ハッチ１１１および１１３は、酸素含有ガス２１若しくは２２、または大気中の空気８９のいずれかの、その対応するライン９１または９２への導入を選択する働きをし、
バーナ１２０および２０は、ライン９１および９２中を流れるガスを加熱する働きをし、
開口部１６２は、ライン９１中に存在するガスを、合成ガス製造デバイス７の燃焼チャンバへと移動させる働きをし、
開口部２１２は、ライン９２中に存在するガスを、燃焼ガス廃熱回収領域５に移動させる働きをし、
開口部１５１は、ライン９中に存在する酸素含有ガスを、排気筒４０を介して大気中に放出する働きをし、ルーバー１５はこの流れを調節する働きをする。
ガスタービンが稼動状態にあり、酸素含有ガスを生成する場合には、ハッチ１１１および１１３を開口部１１および１１２を閉じるように配置する。このことは、ユニット７の燃焼チャンバおよび燃焼ガス廃熱回収領域５に、タービン３からの排ガスを供給するのに役立つ。ルーバー４および１６を用いると、必要に応じて、タービン３からのおおよその排ガスを、ライン９１およびユニット７の燃焼チャンバ、またはライン９２および燃焼ガス廃熱回収領域５のいずれかに送給することが可能である。さらに、ルーバー１６を、合成ガス製造ユニットの酸素圧力および／または濃度を測定するためのセンサ１００により、フィードバックループによりサーボ制御する。その開口部をこの制御に応じて調節し、ライン９１中を流れるタービン３からの排ガス２の流れを調節することができる。
ガスタービンが稼動状態にない場合には、ハッチ１１１および１１３を開口部１１および１１２を開くように配置し、これにより燃焼チャンバ７と燃焼ガス廃熱回収領域５に大気中の空気（第２の酸素含有ガス）を供給する。この場合において、バーナ２０と１２０は、大気中の空気を予熱する働きをする。ガスタービン３を稼動させず、酸素含有ガスを生成しない場合には、ルーバー４と１６を閉じ、ルーバー１５を調節して、タービンからのガスを大気中に排気筒４０を介して排除する。同時に、ハッチ１１１と１１３を、開口部１１と１１２を開くように配置し、これにより燃焼チャンバ７および燃焼ガス廃熱回収領域７に大気中の空気（第２の酸素含有ガス）を供給する。
図５は、図２のプロセスに対応する概略図を示し、タービン３からの排ガス２と第２の酸素含有ガスを、合成ガス製造デバイス７の燃焼チャンバに分配するためのデバイスの詳細を示す。このフローチャートは図４のものと異なり、燃料４２と、ガスタービン３から流出する排ガス２の一部２２による酸化剤が供給される蒸気生成ユニット１３を含む。この配置において、ライン９２は、燃焼ガス廃熱回収領域５からの酸素含有ガスをもたらすよりもむしろ、蒸気生成ユニット１３に酸素含有ガスを供給する働きをする。
図６は、図３のプロセスに対応する概略図を示し、タービン３からの排ガス２と第２の酸素含有ガスを、合成ガス製造デバイス７の燃焼チャンバに分配するためのデバイスの詳細を示す。このフローチャートは図４および５のものと異なり、燃焼ガス廃熱回収領域５または蒸気生成ユニット１３に酸素含有ガスを排除するライン９２を含まない。
図７は、図６の実施形態の代替であり、ここで、第２の酸素含有ガスをライン９１に導入する働きをする開口部１１を、ＡＳＵ１７２から流出する純酸素１７４のライン９１への導入を可能にするライン９４に接続する。ＡＳＵ１７２は、また、純酸素１７３を二次改質装置１７１に供給し、および輸送のための酸素１７５を供給する。
図８は、図４の実施形態の代替を示し、ここで、合成ガス製造ユニットからの燃焼生成物３０の一部を、ライン９２のバーナ２０にライン３００を介して送る。ルーバー１８３は、これら燃焼生成物３００の流れを調節する働きをする。燃焼生成物の再循環は、火炎温度を低下させて、窒素酸化物ＮＯxの生成を抑制するのに役立つ。燃焼生成物再循環率は１５〜２０％で変化し得る。ＮＯx放出の約４０〜５５％の低減が観察された。
本発明の実施により、合成ガス製造デバイスにおける、ガスタービンからの酸素含有ガスの一時的または連続的な利用は、図１、３、４、６、７および８に示されるように、上記合成ガス製造デバイスにおける単一の廃熱回収部の利用を可能にすることが見出されたのに対し、通常は２つの廃熱回収部の使用が必要である。特定の場合において、合成ガス製造デバイスにより用いられる燃料の量は、合成ガス製造ユニットと熱電供給ユニットが独立している場合と比較して低減する。３つのラインを含む本発明のデバイスの利用の間には、生じる蒸気の量を、第３のラインに存在するバーナにおける後燃焼（post-combustion）を行うことにより増加させることができることが観察された。本発明は、実際に、蒸気タービンを介して輸送のために蒸気を生成するための流量、温度および圧力を調節するのに役立つ。
さらに、燃料、並びに電力、蒸気および合成ガスの同時生成のために用いられる炭化水素原料と燃料は８０％〜９０％の効率で変換される。この変換率には、独立の発電ユニットによっては到達することができない。ガスタービンから流出する温度の高い酸素含有ガスは、合成ガス製造ユニットの燃焼チャンバに必要とされる燃料の消費を低減させるのに役立つ。従って、燃焼ガスはさらなる蒸気を生成するためにより一層利用でき、このさらなる蒸気はより多くの電力を生じさせるために蒸気タービンを通過し得る。本発明は、また、予熱空気を生じるために役立ち、この予熱空気は、ある種の工業プロセスにおいては触媒を再生するために用いることができる。要するに、熱効率および電気効率の急峻な向上が、蒸気および電力の生成の向上と、これに伴う燃料であるガスの消費低下により達成される。
本発明によれば、ガスタービンから流出する酸素含有ガスは温度が高いという事実は、合成ガス製造デバイスの燃焼チャンバにおける燃焼消費を低減させるのに役立つ。燃焼ガス廃熱回収領域は、また、熱電供給ユニットの蒸気生成ユニットと置き換えることもできる。酸素含有ガスと燃焼ガスの熱を回収したら、冷却された排ガスをブロワにより抜き出して、排気筒を介して放出する。合成ガス製造デバイス１７の蒸気回収ユニット、燃焼ガス廃熱回収領域５および蒸気生成ユニット１３において得られた蒸気を、蒸気と電力を生じる背圧蒸気タービン、または温水と電力を生じる復水タービンのいずれかに導入することができる。
さらに、ガスタービンの発電機は電力を生じ、これは、補助設備、例えばファン、コンプレッサおよびポンプであって、一体化されたプラントに見受けられるものにおいて用いることができる。
図７に示す配置において、タービンが停止した場合の大気中の空気に変えてＡＳＵから流出する酸素の使用すると、以下の利点が得られる。すなわち、廃熱回収ユニットの改善された効率（窒素の欠乏による）、より低いＮＯx放出、燃料として用いられるガスの量の低下である。
本発明は、合成ガス、ＣＯ、水素、オキソガス（正確な比のＨ2およびＣＯの混合物）、蒸気、ホットエア、および電力を生成するための工業用施設および幅広い製品範囲に対して柔軟性を提供する。
合成ガス製造デバイスは、燃焼ガスから流出するＮＯx含有量を制御するための「ＮＯxの選択的触媒除去（ＳＣＲ）」のような排ガス処理システム、または二酸化炭素、粒子状物質および硫黄酸化物を除去するために排ガスを洗浄するためのデバイスを備えていてもよい。
本発明による合成ガス製造方法の少なくとも３つの代替案、生成する電力および予熱空気の概略図。 本発明による合成ガス製造方法の少なくとも３つの代替案、生成する電力および予熱空気の概略図。 本発明による合成ガス製造方法の少なくとも３つの代替案、生成する電力および予熱空気の概略図。 タービン排ガスおよび第２の酸素含有ガスを、合成ガスリアクタおよび合成ガス製造ユニットと連関する熱回収ユニットに分配するためのデバイスの図。 タービン排ガスおよび第２の酸素含有ガスを、合成ガスリアクタおよび合成ガス製造ユニットと連関する熱回収ユニットに分配するためのデバイスの図。 タービン排ガスおよび第２の酸素含有ガスを、合成ガスリアクタおよび合成ガス製造ユニットと連関する熱回収ユニットに分配するためのデバイスの図。 タービン排ガスおよび第２の酸素含有ガスを、合成ガスリアクタおよび合成ガス製造ユニットと連関する熱回収ユニットに分配するためのデバイスの図。 タービン排ガスおよび第２の酸素含有ガスを、合成ガスリアクタおよび合成ガス製造ユニットと連関する熱回収ユニットに分配するためのデバイスの図。
符号の説明
１…粗合成ガス
２…ガスタービンからの排ガス
２１、２２…酸素含有ガス
３…ガスタービン
４…ルーバー
５…燃焼ガス廃熱回収領域
６…合成ガス製造デバイスからの蒸気
７…合成ガス製造デバイス
８…大気中の空気
９、９１、９２、９３、９４…酸素含有ガスライン
１０…主の酸素含有ガスの導入を可能にする第１のライン９の開口部
１１…第２の酸素含有ガスの導入を可能にする第２のライン９１の開口部
１１１…ハッチまたはエアブロワ
１１２…第２の酸素含有ガスの導入を可能にする第３のライン９２の開口部
１１３…ハッチまたはエアブロワ
１２、１２１…蒸気
１２０…バーナ
１３…蒸気生成ユニット
１４…合成ガス製造ユニットに再循環される蒸気
１５…ルーバー
１５１…主の酸素含有ガスの大気への放出を可能にするラインの開口部
１６…ルーバー
１６１…酸素含有ガスの第２のライン９１への移動を可能にする第１のライン９の開口部
１６２…酸素含有ガスの、合成ガス製造デバイスの燃焼チャンバへの移動を可能にする第２のライン９１の開口部
１７…合成ガス製造デバイスからの蒸気を回収するためのユニット
１７１…第２の改質装置
１７２…空気分離ユニット（ＡＳＵ）
１７３…第２の改質装置への精製酸素
１７４…燃焼のための加圧された精製酸素
１７５…輸送のための、ガス状態または液体状態にある精製酸素
１８…炭化水素原料および／または燃料
１８１、１８２、１８３…ルーバー
１９…冷却された合成ガス
１９１…二酸化炭素ストリッパ
１９２…低ＣＯ2合成ガス
２０…バーナ
２１１…酸素含有ガスの第３のライン９２への移動を可能にする第１のライン９の開口部
２１２…酸素含有ガスの燃焼ガス廃熱回収領域への移動を可能にする第３のラインの開口部
２３…水
２３０…除去されたＣＯ2
２４…ボイラ予熱器
２５…温水
２６…合成ガス精製ユニット（例えば、１．１〜２．１のＨ2／ＣＯ混合比を有するオキソガスを生成する膜）
２６１…水素および一酸化炭素分離ユニット
２７…輸送される熱空気
２８…精製合成ガス
２８０…除去されたＣＯ2
２８１…精製水素
２８２…精製ＣＯ
２８３…合成ガス製造デバイスに再循環するために除去されたＣＯ2
２８４…圧縮および液化のために除去されたＣＯ2
２８５…合成ガス製造デバイスの燃焼チャンバ中の燃料として用いられるパージされたガスの混合物
２８６…輸送される合成ガス（例えばオキソガス）
２９…抽気ファン
３０…燃焼生成物
３００…排ガス再循環ライン
３１…炭化水素前処理ユニット
３２…空気温度コントローラ
３３…精製ユニットからのパージされたガスの混合物
３４…ガスタービン中で燃料として用いられる合成ガス
３５…圧縮空気
３６…空気予熱器
３７…燃焼生成物
３８…発電機
３９…発電機
４０、４０１…排出排気筒
４１…ガスタービンからの蒸気
４２…固体または液体炭化水素燃料
４３…現場から輸送される蒸気
４４…排ガス
４５、４６…ルーバー
４７…ガスタービン用の蒸気
４８…合成ガス製造デバイスの燃焼チャンバのための燃料の混合物
４９…前処理された炭化水素および蒸気の混合物
５０…蒸気タービン
５１…蒸気タービンからの復水
６１…合成ガス製造デバイスから蒸気を回収するためのユニットからの蒸気
７１…合成ガス製造に用いられるもの以外の炭化水素原料および／または燃料
８１、８２…ブロワにより圧縮された大気中の空気
１００…酸素濃度アナライザ
１００、１０２…フィードバックループ
１０３…ガスタービンからの排ガス流を制御するための手段
１０４…圧力センサ

Claims (9)

  1. 合成ガス（１）を製造するためのユニットの燃焼デバイスに、ガスタービン（３）により生じる排ガス（２）からの酸化剤を供給するための方法であって、排ガス（２）流が、少なくとも第１のライン（９）と第２のライン（９１）を使用して燃焼デバイスに導入され、燃焼デバイスは、以下を有し、
    前記第１のライン（９）は、
    ・前記ガスタービン（３）と協働し、前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）の前記第１のライン（９）への導入を可能にする開口部（１０）と、
    ・第２のライン（９１）と協働し、第１のライン中に存在するガスの第２のライン（９１）への排除を可能にする開口部（１６１）と、
    ・前記ライン（９）中に存在するガスの大気への排除を可能にする開口部（１５１）とを含み、
    前記第２のライン（９１）は、
    ・前記第１のライン（９）と協働し、前記タービン（３）からの前記排ガス（２）の前記の第２のライン（９１）への導入を可能にする開口部（１６１）と、
    ・第２の酸素含有ガス（８）の前記第２のライン（９１）への導入を可能にする開口部（１１）と、
    ・前記第２の酸素含有ガス（８）の第２のライン（９１）への導入を可能にする開口部（１１）を制御し、開口部（１１）の開口または閉鎖のいずれかを可能にする手段（１１１）と、
    ・第２のライン（９１）中に存在する前記酸素含有ガスの、合成ガス製造ユニットの前記燃焼デバイスへの排除を可能にする開口部（１６２）と、
    ・前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）流を調節するための手段（１６）とを含む：
    および前記ガスを、前記合成ガス（１）製造ユニットの炉内の酸素濃度および／または圧力の値に従って制御することを特徴とする方法。
  2. 前記燃焼デバイスに導入される前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）流を、前記燃焼デバイスに前記排ガス（２）を分配するためのデバイスに配置された少なくとも１つの制御手段（１０３）により制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記燃焼デバイスに導入される前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）流を、前記合成ガス（１）製造ユニットの出口において燃焼生成物（３７）を取り出す少なくとも１つの抽気ファンにより制御することを特徴とする請求項１および２のいずれかに記載の方法。
  4. 前記燃焼デバイスに導入される前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）流を、前記合成ガス（１）製造ユニットの前記燃焼チャンバの下流の酸素濃度が２〜３体積％となるように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記燃焼デバイスに導入される前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）流を、前記合成ガス（１）製造ユニットの前記燃焼チャンバの下流の圧力が−５ｍｍ〜−１５ｍｍＨ2Ｏとなるように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法を行うために、合成ガス（１）を製造するためのユニットの燃焼デバイスに、ガスタービン（３）により生成する排ガス（２）からの酸化剤を供給するためのデバイスであって、少なくとも２つのライン（９、９１）を含み、
    前記第１のライン（９）は、
    ・前記ガスタービン（３）と協働し、前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）の前記第１のライン（９）への導入を可能にする開口部（１０）と、
    ・第２のライン（９１）と協働し、第１のライン中に存在するガスの第２のライン（９１）への排除を可能にする開口部（１６１）と、
    ・前記ライン（９）中に存在するガスの大気への排除を可能にする開口部（１５１）とを含み、
    前記第２のライン（９１）は、
    ・前記第１のライン（９）と協働し、前記タービン（３）からの前記排ガス（２）の前記の第２のライン（９１）への導入を可能にする開口部（１６１）と、
    ・第２の酸素含有ガス（８）の前記第２のライン（９１）への導入を可能にする開口部（１１）と、
    ・前記第２の酸素含有ガス（８）の第２のライン（９１）への導入を可能にする開口部（１１）を制御し、開口部（１１）の開口または閉鎖のいずれかを可能にする手段（１１１）と、
    ・第２のライン（９１）中に存在する前記酸素含有ガスの、合成ガス製造ユニットの前記燃焼デバイスへの排除を可能にする開口部（１６２）と、
    ・前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）流を調節するための手段（１６）とを含むことを特徴とするデバイス。
  7. 前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）の前記第２のライン（９１）への流れを調節するための手段（１６）を、前記合成ガス製造ユニットの前記燃焼チャンバの下流に設置された酸素圧力および／または濃度センサによりサーボ制御することを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
  8. 前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）の、燃焼ガス廃熱回収領域（５）および／または蒸気を生成するためのユニット（１３）への分配を可能にする請求項６および７のいずれかに記載のデバイスであって、３つのライン（９、９１、９２）を含み、 前記第１のライン（９）は、第３のライン（９２）と協働し、前記第１のライン（９）中に存在するガスの第３のライン（９２）への排除を可能にする開口部（２１１）を含み、
    前記第３のライン（９２）は、
    ・前記第１のライン（９）と協働し、前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）の前記第３のライン（９２）への導入を可能にする開口部（２１１）と、
    ・前記第２の酸素含有ガス（８）の前記第２のライン（９２）への導入を可能にする開口部（１１２）と、
    ・前記第２の酸素含有ガス（８）の第３のラインへの導入を可能にする開口部（１１２）を制御し、前記開口部（１１２）の開口または閉鎖のいずれかを可能にする手段（１１３）と、
    ・第３のライン（９２）中に存在する前記酸素含有ガスの、前記燃焼ガス廃熱回収領域（５）および／または前記蒸気生成ユニット（１３）への排除を可能にする開口部（２１２）とを含むことを特徴とするデバイス。
  9. 前記第１のライン（９）は、前記ガスタービン（３）からの前記排ガス（２）を、前記第２のライン（９１）と前記第３のライン（９２）との間で分けるための手段を含むことを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
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