JP5580897B2 - バイオマスを使用する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の炭素質原料からの熱エネルギーを機械的作用に変換するための方法、およびに請求項９の前文に記載の熱エネルギーを機械的作用に変換するための装置に関する。本発明は、バイオマスを参照して説明されるが、本発明による方法および装置は、他の炭素質製品にも用いることができることを特記する。

特許文献１は、熱エネルギーを機械的作用に変換する方法に関し、熱エネルギーを貯蔵する第１および第２手段は、タービンブランチに交互に接続される。この場合、排気ガス中のダストの形成は、例えばサイクロンによって除去しなければならず、不利益であることが実証された。

特許文献２は、ガス化バイオマス方法およびその設備を説明する。この場合、気密状態でガス化反応器から分離された物質は、燃焼チャンバー中で燃焼され、燃焼チャンバーからの熱エネルギーは、ガス化反応器中に導入される。

特許文献３は、バイオマス、詳細には、機械的パルプの、ガス化の方法と装置を開示する。この場合、装填床脱ガスが、６００℃の第１ガス化段で行われ、流動床脱ガスは、下流の８００℃〜１０００℃の温度の第２ガス化段で行われる。

独国特許第１００３９２４６Ｃ２号公報 独国特許第１０２２７０７４Ａ１号公報 独国特許第１９８３６４２８Ｃ２号公報

したがって、本発明の目的は、炭素質原料の燃焼およびガス化からの熱エネルギーを機械的作用に変換する方法および装置を提供することであり、この方法および装置は、排気ガス中のダストを回避しながら、高レベルの効率と高レベルの効力を可能にする。さらに、本方法は、生成されたエネルギー、特に廃熱をプロセスに戻すことを提供する。

これは、請求項１に記載の方法および請求項９に記載の装置によって達成される。有利な実施形態および展開は、従属請求項の主題である。

本発明の主要点は、熱エネルギーを貯蔵および放出する少なくとも第１装置および第２装置を用いて炭素質原料からの熱エネルギーを機械的作用に変換する方法であり、これらの装置は、下流のガスタービンを備えるタービンブランチ中に少なくとも一時的に交互に接続され、前記方法が、以下のステップ、
ａ）ガスバーナ中のガスの燃焼と、
ｂ）熱エネルギーを貯蔵するための装置を通した、前記ガスバーナ中で生成された排気ガスの移送と、
ｃ）熱エネルギーを貯蔵するための装置によって放出された高温空気の、ガスタービンまたはその膨張器への導入と、を含み、
第１ステップにおいて、炭素質原料は、気化器中でガス化され、生成ガスは、気化器の下流のガスバーナに供給される。特に、ガスバーナにおける燃焼ステップの前に気化器を使用することは、ダスト、特に排気ガス中の微細ダストを大幅に低減させる。また、ダストの割合の低減は、ガス燃焼プロセス中により高い温度の使用を可能にする。さらに、発電の場合において、高いレベルの効率を得ることができる。また、微細ダストの低減は、ガスタービンの運転寿命に有利な効果を与える。

用語「下流」は、詳細には、処理されるそれぞれのガスに関して下流の配置を意味するものと理解される。ガスバーナは、気化器の直下にあるのが好ましい。また、熱エネルギーを貯蔵する装置は、貯蔵された熱エネルギーを、例えば高温空気の形で放出するのに適していることが好ましい。したがって、従来技術とは対照的に、追加のダスト粒子が形成されないように、本発明によって、追加のガス化プロセスからガスバーナのための生成ガスを得ることが提案される。したがって、タービンブランチへの接続は、詳細には、熱エネルギーを貯蔵するための手段中に得られる高温空気が、ガスタービンに放出されるのが好ましいことを意味する。

詳細には、熱エネルギーを貯蔵するための装置として、例えば、欧州特許第０６２０９０９Ｂ１号または独国特許第４２３６６１９Ｃ２号に記載されたように、バルク材料生成器を用いることができる。

加熱された水蒸気または空気、または水蒸気と空気の混合物は、ガス化媒体として気化器中に導入されてガス化のために用いられるのが好ましい。水蒸気と一緒に、さらに１つのガス状媒体を燃焼ガスとして気化器に供給するのが有利である。例えば、高温空気、酸素、酸素富裕空気等が燃焼ガスとして考えられる。

充填床向流気化器は、気化器として用いられるのが好ましい。原則的に、従来技術による異なる種類の気化器を用いることができる。しかし、充填床向流気化器の特有の優位性は、個々のゾーンが、この反応器内で形成し、異なる温度が、優勢になり、したがってこれらのゾーンで異なるプロセスが行われることである。それぞれのプロセスが、高度に吸熱性であり熱は下部からのみ与えられることによって、異なる温度となる。

ガスタービンのコンプレッサ下流に配置された少なくともさらに１つの熱交換器が、効果的に配設され、供給された高温空気の少なくとも一部を冷却し、これを冷たい空気として熱エネルギーを貯蔵するための第１および／または第２装置に供給する。一方で、貯蔵されたエネルギー効率の増加が確保される。他方、空気の冷却によって、排気ガスの温度を下げることができる。

さらに、水の注入は、ガスタービンのコンプレッサの下流に施すのが好ましい。

タービンブランチの分離のための少なくとも１つのバルブ状手段が、コンプレッサとガスタービンの圧力降下器の間に設けられるのが好ましい。バルブ状手段は、緊急停止のために用いられ、圧力降下器への供給ラインとガスタービンのコンプレッサからの排出ラインの間のバイパスに配置されるのが好ましい。

好ましい実施形態において、ガス化に続くプロセスの少なくとも１つからの廃熱は、水蒸気の生成のために用いられる。詳細には、これは、廃熱をガスタービン下流の少なくとも１つの熱交換器に供給することに関し、水は、この熱交換器で加熱される。また、空気を加熱するための熱交換器も、設けられる。

廃熱を放出するガスは、ガスタービンから出るあらゆるガスであることが好ましく、依然として非常に高い温度である。

気化器に供給される前に、水蒸気は、ガスタービンの下流に配置された熱交換器によって生成される。

冷却は、少なくとも１つの熱交換器によって行われることが好ましく、冷却プロセスによって得られる熱エネルギーは、有用な熱として分離される。これは、さらに環境融和性と本方法の効率向上に貢献する。

タービンからの減圧された高温空気は、本方法の効率をさらに高めるためにガスバーナに再び供給されるのが好ましい。例えば、ガスタービンを出る燃焼空気は、対応する供給ラインを経由してガスバーナに戻すことができる。

さらに好ましい方法において、タービンからの減圧された高温空気は、さらに１つの蒸気タービンによってエネルギー生成のために用いられる。この追加の蒸気タービンは、分離した水回路に組み込むことができ、この回路中の水を熱交換器で蒸発させ、加熱することができる。蒸気タービンから出ると、蒸気は、それが再び熱交換器を通って循環する前にポンプで凝縮され、液体状態に圧縮される。

本発明によれば、燃料を燃焼するガスバーナと、下流のガスタービンまたはその膨張器を備えるタービンブランチ中に少なくとも一時的に交互に接続することができる、熱エネルギーを貯蔵するための少なくとも第１および第２装置と、ガスバーナ中に生成された排気ガスを、熱エネルギーの貯蔵装置に供給する少なくとも１つの接続ラインと、が熱エネルギーを機械的作用に変換するための装置に備えられ、燃料を生成する気化器は、ガスバーナの上流に配置される。

本装置は、熱エネルギーを貯蔵するための装置に供給される空気を圧縮するコンプレッサを備えるのが有利であり、このコンプレッサは、ガスタービンの構成要素であることが特に好ましい。

また、本装置に関して、排気ガスが、気化器中で次々と生成される生成ガスの燃焼中に形成されることが、提案される。熱エネルギーを貯蔵するための装置の一時的な交互接続は、２つの装置の中の１つに少なくとも一時的に選択された期間排気ガスが供給され、他の装置が、ガスタービンに高温空気を放出することを意味するもの、と理解される。さらに、少なくとも部分的に時間遅れで作動する、熱エネルギーを貯蔵するための複数の装置が、備えられることも可能であろう。例えば、エネルギーを貯蔵するためのこれらの装置の１つは、このようにして排気ガスが供給されることができ、１つ以上の他の装置は、高温空気を放出する。また、高温空気の放出に関しても、熱エネルギーを貯蔵するための装置は、少なくとも部分的に時間遅れで作動する。

ガスを冷却する手段は、タービンブランチの下流に設けられるのが好ましい。

これらの冷却手段は、上述のように、気化器に供給することのできる高温空気を生成することができるように、空気を同時に加熱することができる熱交換器が好ましい。さらに、水蒸気は、これらの手段によって生成されることができ、同様に気化器に供給されることができる。

さらに、少なくとも第１装置および少なくとも第２装置をタービンブランチに交互接続する手段が、設けられることが好ましい。

例えば、交互接続のこれらの手段は、複数の制御可能なバルブとすることができ、各々熱エネルギーを貯蔵するための手段中への交互の排気ガスの供給と、ガスタービンへの加熱された空気の交互の放出を行うことができる。さらに、任意の時に適宜ガスタービンへ高温空気を最適供給することを可能にし、さらに熱エネルギー貯蔵手段の効率的な再装填を可能にするように、各々熱エネルギーを貯蔵するための装置の適切な点で温度を測定して、これらの測定に応じて対応するバルブを切り替える温度センサーを設けることができる。

さらに、ガスタービンまたはその一部は、供給された空気を圧縮し、次いで加熱すべき冷たい空気を、熱エネルギーを貯蔵するための装置に供給するように、コンプレッサとして働くのが好ましい。少なくとも１つの熱交換器が、ガスタービンの下流に配置されるのが特に好ましい。

熱エネルギーを分離するための、少なくとも１つの、および好ましくは複数の熱交換器が、ガスタービンと気化器の間に接続されるのが好ましい。

ガスタービンと気化器の間には、直接のガス接続がないことが好ましい。しかし、ガスタービンによって排出されるガスの熱エネルギーは、熱交換器によって水蒸気および高温空気などの他の媒体に伝達され、これらの媒体は、上述のように、次いで気化器に供給される。さらに、ガスバーナ中の燃焼プロセスをさらに効率的にするためにガスタービンを出る燃焼空気をガスバーナに供給できるように、接続ラインは、ガスタービンとガスバーナの間に設けられるのが好ましい。

さらに有利な実施形態において、さらに１つの蒸気タービンが、ガスタービンの下流に配置される。この下流のタービンの結果として、第１ガスタービンからの高温空気は、エネルギー生成のために再び用いることができる。このようにして、現在の効率は、さらに改善される。

利点および利便性は図面と共に以下の説明から示される。
第１のフロー図である。 第２のフロー図である。 第３のフロー図である。

図１は、炭素質原料からの熱エネルギーを機械的作用に変換する、本発明による装置の使用の概要フロー図を示す。参照符号１は、充填床向流反応器を表す。原材料１４は、上方から反応器１中に導入され、ガス化媒体（例えば空気）は、下方から供給ライン１６に沿って導入される。このようにして、ガス化媒体および生成ガスは、燃料の流れと反対方向に反応チャンバーを循環する。気化器１中に形成された灰は、下方向、すなわち、矢印Ｐ１の方向に除去される。

生成ガスは、ガスバーナ２に到達し、燃焼される。ガスバーナ２中で形成された排気ガスは、次いで接続ライン３を通って第１（４）または第２（６）のバルク材料再生器中に送られ、バルク材料再生器４、６によって放出された高温空気７は、ライン２１を経由してガスタービン８に送られる。発電機Ｇは、タービンブランチＴ中のガスタービン８上に配置される。参照符号２３は、熱エネルギー貯蔵のための手段４、６中に形成された排気ガスを除去するための排出ラインを表す。

ライン２２は、第１再生器４からガスタービン８へ導く。ガスタービン８を出る廃空気は、さらに１つのライン２６を経由して、予備加熱された燃焼空気としてガスバーナ２に供給される。第１（４）および第２再生器（６）は、装置の手段（図示されない）によってタービンブランチＴまたは「予備加熱ブランチ」に交互に作動させることができる。参照符号６０は、タービン８に結合された発電機を表す。

参照符号３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４、４６は、各々、バルク材料再生器４、６への排気ガスの供給（バルブ４４および４６）、バルク材料再生器４、６からガスタービン８への高温空気の放出（バルブ３６および４２）、排気ガスの放出（バルブ３２および３８）、また、逆にバルク材料再生器４、６への冷たい空気の供給（バルブ３４および４０）を制御する制御可能なバルブを表す。黒塗りで描かれたバルブは、開放状態にあり、単なる線描きされたバルブは、閉止状態である。参照符号５２、５４、および５６は、各々それぞれ空気（参照符号５６）、排気ガス（参照符号５２）、および廃空気（参照符号５４）を圧縮または輸送するコンプレッサまたはファンに関する。

さらに、空気は、ライン２５を経由してガスタービン８へ供給され、さらに１つの熱交換器１５を経由してバルク材料再生器４および６へ冷たい空気として供給される。

気化器１を用いることによって、排気ガス３の高価なダスト除去を省略することが可能である。

参照符号６１は、コンプレッサとガスタービンの減圧器の間の、タービンブランチを分離するためのバルブ状手段を表す。水の注入が、タービンと熱交換器１５の間で可能である。さらに１つのバルブ６３が、このブランチに設けられる。

熱交換器１１、１２、１３は、ガスタービン８から導くライン２６に接続され、空気と水の両方を、加熱状態で、ガス化媒体として充填床向流反応器１へ供給する。また、冷却は、少なくとも１つの熱交換器１３によって行われ、その冷却プロセスによって得られた熱エネルギーは、有用な熱として分離される。

図２に示される実施形態において、熱交換器１３は、タービンブランチＴの直下に配置される。この装置によって、分離された熱を（熱水の生成のため）比較的高い温度レベルで用いることが可能である。ガス化媒体として空気および水を加熱するための熱交換器１１、１２は、下流に配置される。

このように、熱交換器の順序は、示された２つの実施形態において変更される。図１に示した実施形態において、高い温度を有する燃焼空気を受け取る第１熱交換器１２は、高温空気の生成のために用いられる一方、次の熱交換器１１は、水蒸気の生成のために用いられ、最後の熱交換器１３は、熱の生成のために用いられ、図２に示した実施形態において、熱は、最も熱い空気、次に高温空気および水蒸気を用いて生成される。さらに、２つの熱交換器１２と１１は、交換可能である。２つの図面の参照符号５８は、水を輸送するためのポンプに関する。図の参照符号１０は、燃焼ガスに関し、参照符号９は、水蒸気を表す。

図３は、本発明のさらに１つの実施形態を示す。この実施形態において、さらに１つの回路７０が、ガスタービン８の下流に配置されて、備えられる。さらに正確には、ガスタービン８からの高温空気は、この回路７０に一体化された熱交換器７１を通って供給される。回路７０中の水は、熱交換器によって加熱され、蒸気タービン７２へ供給され、これは、次いで発電機７４を駆動する。参照符号７８は、ポンプに関し、参照符号７６は、コンプレッサに関する。こうしたアプローチの結果、本システムの流通効率をさらに高めることができる。

本出願資料中に開示される全ての図面は、それらが個別にまたは組み合わせで従来技術よりも新規である限り、本発明にとって本質的であることを主張する。

１ 気化器
２ ガスバーナ
３ 排気ガス、接続ライン
４ 熱エネルギーを貯蔵および放出するための第１装置
６ 熱エネルギーを貯蔵および放出するための第２装置
７ 高温空気、接続ライン
８ ガスタービン
９ 水蒸気
１０ 高温空気
１１、１２、１３、１５ 熱交換器
１４ 炭素質原料
１６ ガス化媒体のための供給ライン
２１、２２ ガスタービンへの供給ライン
２５ ライン
２６ 熱交換器への供給ライン
３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４、４６ 制御可能なバルブ
５２、５４、５６ ファン
５８、７８ ポンプ
６０ 発電機
６１ バルブ
６３ バルブ
７０ 回路
７１ 熱交換器
７２ 蒸気タービン
７４ 発電機
７６ 凝縮器
Ｐ１ 方向矢印
Ｔ タービンブランチ

Claims (15)

1. 熱エネルギーを貯蔵および放出する少なくとも第１（４）および第２（６）装置を用いて、炭素質原料からの熱エネルギーを機械的作用に変換する方法であって、これらの装置は、下流のガスタービン（８）を備えるタービンブランチ（Ｔ）中に少なくとも一時的に交互に接続され、前記方法が、以下のステップ
   （ａ）炭素質原料が、気化器（１）中でガス化され、
   （ｂ）ガス化された生成ガスが、前記気化器（１）の下流のガスバーナ（２）に供給され、
   （ｃ）前記ガスバーナ（２）中での前記生成ガスの燃焼と、
   （ｄ）前記ガスバーナ（２）中で生成された排気ガス（３）の熱エネルギーを貯蔵するための装置（４，６）への移送と、
   （ｅ）前記熱エネルギーを貯蔵するための装置に供給される空気の、コンプレッサによる圧縮と、
   （ｆ）少なくとも１つの装置（４、６）によって放出された圧縮された高温空気（７）の、膨張器による膨張と、
   （ｇ）膨張された空気の一部の、燃焼空気としての前記ガスバーナ（２）への供給と、
   （ｈ）前記膨張された空気による、前記気化器（１）に導入されるガス状媒体および水蒸気（９）の加熱と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 加熱された水蒸気（９）および／または空気が、前記気化器（１）中に導入されてガス化のために用いられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. さらに１つのガス状媒体が、水蒸気（９）と一緒に、燃焼ガス（１０）として前記気化器（１）に供給されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 充填床向流気化器（１）が、前記気化器（１）として用いられることを特徴とする請求項１〜３の少なくとも１項に記載の方法。
5. 少なくとも１つのガス化に続くプロセスからの廃熱が、水蒸気生成に用いられることを特徴とする請求項１〜４の少なくとも１項に記載の方法。
6. 前記気化器（１）に供給される前に、水蒸気（９）が、前記ガスタービン（８）の下流に配置された熱交換器（１１）によって生成されることを特徴とする請求項１〜５の少なくとも１項に記載の方法。
7. 冷却が、少なくとも１つの熱交換器（１３）によって行われ、冷却プロセスによって得られた熱エネルギーが、有用な熱として分離されることを特徴とする請求項１〜６の少なくとも１項に記載の方法。
8. 前記ガスタービン（８）からの減圧された高温空気が、再び前記ガスバーナ（２）に供給されることを特徴とする請求項１〜７の少なくとも１項に記載の方法。
9. 前記ガスタービン（８）からの減圧された高温空気が、蒸気タービン（７２）によってエネルギー生成のために用いられることを特徴とする請求項１〜８の少なくとも１項に記載の方法。
10. 炭素質原料からの熱エネルギーを機械的作用に変換するための装置であって、以下のように、
    炭素質原料がガス化され、燃焼ガスに変換される気化器（１）と、
    前記気化器（１）の下流に配置され、燃料ガスを燃焼させ、熱エネルギーを発生させるためのガスバーナ（２）と、
    少なくとも一時的に下流のガスタービン（８）を備えるタービンブランチ（Ｔ）に交互に接続することができる、前記熱エネルギーを貯蔵するための少なくとも第１（４）および第２（６）装置と、
    前記熱エネルギーを貯蔵するための装置に供給される空気を、圧縮するためのコンプレッサと、
    少なくとも１つの装置（４、６）によって放出された圧縮された高温空気（７）を膨張させる膨張器と、
    前記ガスバーナ（２）中に形成された排気ガスを、熱エネルギーを貯蔵するための前記装置（４、６）に供給する、少なくとも１つの接続ライン（３）と、
    前記膨張された空気の一部を、燃焼空気として前記ガスバーナ（２）へ供給するラインと、
    前記膨張された空気による、前記気化器（１）に導入されるガス化媒体および水蒸気（９）の加熱を担う熱交換器と、
    を備えることを特徴とする装置。
11. ガスを冷却するための手段（１１、１２、１３）が、前記タービンブランチ（Ｔ）の下流に設けられることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 熱エネルギーを貯蔵するための少なくとも第１装置（４）および熱エネルギーを貯蔵するための少なくとも第２装置（６）を交互に接続する手段が、前記タービンブランチ（Ｔ）に設けられることを特徴とする請求項１０または１１の少なくとも１項に記載の装置。
13. 少なくとも１つの熱交換器（１１、１２、１３）が、前記ガスタービン（８）の下流に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
14. 熱エネルギーを分離するための少なくとも１つの熱交換器（１３）が、前記ガスタービン（８）と前記気化器（１）の間に接続されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
15. 蒸気タービンプロセスが、前記ガスタービン（８）の下流に配置されることを特徴とする請求項１０〜１４の少なくとも１項に記載の装置。

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