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技術 燃焼用液体炭化水素燃料の生成および気化のための統合システムおよび方法

出願人 エル・ピィ・ピィ・コンバスチョン・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー
発明者 エスキン,レオ・ディロビー,リチャード・ジェイクラッセン,マイケル・エスラモトフスキー,マイケル・ジェイ
出願日 2014年7月3日 (6年0ヶ月経過) 出願番号 2014-137405
公開日 2014年9月25日 (5年9ヶ月経過) 公開番号 2014-177652
状態 特許登録済
技術分野 固体物質からの合成ガス等の製造
主要キーワード エネルギ要件 保守問題 液化気体 ピークモード 分離器ユニット 微粒炭素 気化ユニット 複合サイクル発電所
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

解決手段

炭素供給源から合成ガスを生成するガス化装置と、合成ガスを燃焼させて電力を生成する合成ガス燃焼システムと、天然ガス予混合燃焼ステムとを含むIGCCプラントの稼働方法であり、ガス化装置を稼働させて一定速度で合成ガスを生成するステップ;一定速度でのガス化装置の出力に対応するベース負荷よりも現状電力要求が低いとき、合成ガスを部分的に液体燃料に転換し保管するステップ;上記ベース負荷よりも現状電力要求が高いとき、保管された液体燃料を、液体燃料の気化及びこれと周囲空気より酸素含有量の少ない第1のガスとの混合を行う気化ユニットにより部分的に燃料ガスに転換し、これを天然ガス予混合燃焼システムで使用して上記ベース負荷より高い分の現状電力要求に見合う電力を生成するステップを含む方法である。

概要

背景

背景
石炭ガス化複合発電(Integrated Gasification Combined Cycle:IGCC)技術は、複雑な石炭ガス化処理工場を、合成ガス火力燃焼タービン複合サイクル発電所に結合する。IGCCプロセスは典型的に2段階の燃焼作業を要し、これは典型的に段階の間の清浄を含む。第1段階ではガス化装置を使用し、酸化剤供給を制限することによって石炭部分酸化が実行される。合成ガスを生成するために蒸気改質などの他の方法も用いられ得る。このように生成された合成ガスは、大部分がCOとH2との混合物であり、次に典型的に洗浄されて硫黄などの不純物が除去され、第2段階に送られる。第2段階では、合成ガスが燃焼タービン内で燃やされて、酸化が完了し、エネルギが生成される。

合成ガスを生成するため、石炭以外の炭素供給源が用いられ得る。このいわゆるガスタービン複合サイクル(gas turbine/combined cycle:GT/CC)技術は、液体および固体炭化水素バイオマスアスファルト、タイヤ残留コークスなどのさまざまな炭素含有供給原料を用いると等しく良好に働く。

IGCC工場にとって非常に重要なのは、全体のシステムガス化ユニットおよび燃焼タービン−の統合である。多量の合成ガスを保管するのは実用的でないため、ガス化工場が運転しているときはいつも燃焼タービンは運転し続けていなければならない。燃焼タービンを停止すると典型的に、ガス化工場を直ちに停止しなければならない。また、ガス化工場を部分負荷のみで操業するのも困難であり、したがって燃焼タービンを少なくともベース負荷構成において動かす必要がある。これらは重大な運転上の制約である。

石炭から得られる合成ガスの発熱量(115〜125BTU/scfLHV)は、天然ガス(800〜1000BTU/scf LHV)と比べて非常に低い。このため、合成ガス火力燃焼タービン上の燃焼ハードウェアを、天然ガス火力燃焼タービン上で通常用いられるものからかなり改良する必要がある。これらの改良の費用は多大になり得、工場の費用を増大させ、付加的な保守問題オペレータにもたらす。

合成ガスをそのエネルギ値を得るために燃やす代わりに、合成ガスは炭化水素に変換され得る。これらのいわゆる気体−液体(gas-to-liquid:GTL)および石炭−液体(coal-to-liquid:CTL)プロセスは周知である。この変換を行なうためのいくつかの方法が利用可能である。フィッシャートロプシュ法は、COおよびH2が炭化水素に触媒されるほんの一例である。フィッシャートロプシュ法によって生成される炭化水素はC1〜C200またはそれより高級のものを含み、ほとんどは約C1〜C50の範囲内にある。

概要

合成ガスより転換される液体燃料を利用した統合型ガス化複合サイクル(IGCC)プラント稼働方法を提供する。炭素供給源から合成ガスを生成するガス化装置と、合成ガスを燃焼させて電力を生成する合成ガス燃焼システムと、天然ガス予混合燃焼システムとを含むIGCCプラントの稼働方法であり、ガス化装置を稼働させて一定速度で合成ガスを生成するステップ;一定速度でのガス化装置の出力に対応するベース負荷よりも現状電力要求が低いとき、合成ガスを部分的に液体燃料に転換し保管するステップ;上記ベース負荷よりも現状電力要求が高いとき、保管された液体燃料を、液体燃料の気化及びこれと周囲空気より酸素含有量の少ない第1のガスとの混合を行う気化ユニットにより部分的に燃料ガスに転換し、これを天然ガス予混合燃焼システムで使用して上記ベース負荷より高い分の現状電力要求に見合う電力を生成するステップを含む方法である。

目的

この発明の1つの実施例は、合成ガス6を液体燃料25に転換するステップと、液体燃料25、および周囲空気より酸素含有量が少ない第1のガス35を用いて燃料ガス45を生成するステップと、燃料ガス45を、少なくとも1つの酸化剤を備える第2のガス55と接触させて燃焼ガス65を形成するステップとを備えるプロセスを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

炭素供給源ガス化して合成ガスを生成するためのガス化装置と、前記合成ガスを燃焼させて電力を生成するための合成ガス燃焼システムと、天然ガス予混合燃焼ステムと、を含む統合型ガス化複合サイクルIGCCプラント稼働方法であって、前記ガス化装置を稼働させて、一定の速度で合成ガスを生成するステップと、前記一定の速度での前記ガス化装置の出力に対応するベース負荷よりも、現状の電力要求が低いときには、前記ガス化装置からの前記合成ガスを部分的に液体燃料転換し、該液体燃料を保管するステップと、前記一定の速度での前記ガス化装置の出力に対応するベース負荷よりも、現状の電力要求が高いときには、前記保管された液体燃料を、該液体燃料の気化及びこれと周囲空気よりも酸素含有量の少ない第1のガスとの混合を行う気化ユニットを用いて部分的に燃料ガスに転換し、該燃料ガスを前記天然ガス予混合燃焼システムで使用して、前記一定の速度での前記ガス化装置の出力に対応するベース負荷より高い分の現状の電力要求に見合うのに十分な電力を生成するステップと、を含む、方法。

請求項2

前記炭素供給源は、石炭亜炭褐炭無煙炭亜瀝青炭微粒炭素化石燃料固体炭化水素液体炭化水素残留油、低AP重力燃料油タールサンド油、シェール油、VacResid、石油コークス石油ボトムアスファルト、APIアスファルト、残留コークス、天然ガス、ビチューメン、ビチューメンの水性乳濁液バイオマス炭水化物セルロース系材料泥炭トウモロコシ、藁、木材、木材残留物肥料下水汚泥籾殻稲藁エンバク殻、樹皮、タイヤおよび/またはタイヤ由来燃料、残留フルフラールスイッチグラスオリーブのかす、サンサ、一本の木材から出る廃物サトウキビバガス、未消化乾燥下水汚泥、消化乾燥下水汚泥、カーペット製造織端、使用済カーペット、にわとりの寝藁、七面鳥の寝藁、積層床材ちり、都会植物性廃棄物パルプ汚泥、トウモロコシの茎葉エタノール工場で生じる乾燥された蒸留穀物残渣、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記合成ガスを液体燃料に転換するステップは、フィッシャートロプシュ法を含む、請求項1に記載の方法。

請求項4

前記液体燃料は、前記第1のガスと接触する前に気化される、請求項1に記載の方法。

請求項5

前記液体燃料は、前記第1のガスと接触することによって気化される、請求項1に記載の方法。

請求項6

前記第1のガスは、不活性ガス窒素アルゴン水素一酸化炭素二酸化炭素、NOX、SOX、炭化水素、メタンエタンプロパンブタンアンモニア空気分離器ユニットによって供給されるガス、排ガス高温排ガス低温排ガス、合成ガス、またはそれらの組合せの1つ以上を含む、請求項1に記載の方法。

請求項7

前記第1のガス中の前記酸素含有量は、前記燃料ガスの燃焼が支持されないように十分低い、請求項1に記載の方法。

請求項8

前記第1のガスは実質的に酸素を含有しない、請求項1に記載の方法。

請求項9

前記第1のガス中の前記酸素含有量は、前記燃焼ガス自己発火遅れるか減少するように十分低い、請求項1に記載の方法。

請求項10

前記燃料ガスを生成する前に、前記液体燃料を保管容器送り、前記液体燃料を前記保管容器に一定期間保管し、前記液体燃料を前記保管容器から取出すステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。

請求項11

前記燃料ガスを生成する前に、前記液体燃料をトラック鉄道パイプライン、もしくは、またはそれらの組合せによって輸送するステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。

請求項12

前記燃焼ガスは、燃焼装置内の火炎面に到達する前に形成される、請求項1に記載の方法。

請求項13

前記統合型ガス化複合サイクル(IGCC)プラントは、空気分離器ユニットをさらに含み、酸素豊富なガスを前記空気分離器ユニットから前記ガス化装置に供給するステップと、前記空気分離器ユニットから窒素豊富なガスを前記燃料ガスを生成するステップにおける前記第1のガスとして使用するステップと、をさらに備える、請求項1に記載の方法。

請求項14

前記統合型ガス化複合サイクル(IGCC)プラントは、単一のガス化装置を含む、請求項1に記載の方法。

技術分野

0001

関連出願データ
本出願は、2006年5月1日に提出された米国仮出願連続番号60/746,136の優先権を主張するものであり、当該出願の全体の内容は、詳細に記載されているように引用により本願に援用される。

背景技術

0002

背景
石炭ガス化複合発電(Integrated Gasification Combined Cycle:IGCC)技術は、複雑な石炭ガス化処理工場を、合成ガス火力燃焼タービン複合サイクル発電所に結合する。IGCCプロセスは典型的に2段階の燃焼作業を要し、これは典型的に段階の間の清浄を含む。第1段階ではガス化装置を使用し、酸化剤供給を制限することによって石炭部分酸化が実行される。合成ガスを生成するために蒸気改質などの他の方法も用いられ得る。このように生成された合成ガスは、大部分がCOとH2との混合物であり、次に典型的に洗浄されて硫黄などの不純物が除去され、第2段階に送られる。第2段階では、合成ガスが燃焼タービン内で燃やされて、酸化が完了し、エネルギが生成される。

0003

合成ガスを生成するため、石炭以外の炭素供給源が用いられ得る。このいわゆるガスタービン複合サイクル(gas turbine/combined cycle:GT/CC)技術は、液体および固体炭化水素バイオマスアスファルト、タイヤ残留コークスなどのさまざまな炭素含有供給原料を用いると等しく良好に働く。

0004

IGCC工場にとって非常に重要なのは、全体のシステムガス化ユニットおよび燃焼タービン−の統合である。多量の合成ガスを保管するのは実用的でないため、ガス化工場が運転しているときはいつも燃焼タービンは運転し続けていなければならない。燃焼タービンを停止すると典型的に、ガス化工場を直ちに停止しなければならない。また、ガス化工場を部分負荷のみで操業するのも困難であり、したがって燃焼タービンを少なくともベース負荷構成において動かす必要がある。これらは重大な運転上の制約である。

0005

石炭から得られる合成ガスの発熱量(115〜125BTU/scfLHV)は、天然ガス(800〜1000BTU/scf LHV)と比べて非常に低い。このため、合成ガス火力燃焼タービン上の燃焼ハードウェアを、天然ガス火力燃焼タービン上で通常用いられるものからかなり改良する必要がある。これらの改良の費用は多大になり得、工場の費用を増大させ、付加的な保守問題オペレータにもたらす。

0006

合成ガスをそのエネルギ値を得るために燃やす代わりに、合成ガスは炭化水素に変換され得る。これらのいわゆる気体−液体(gas-to-liquid:GTL)および石炭−液体(coal-to-liquid:CTL)プロセスは周知である。この変換を行なうためのいくつかの方法が利用可能である。フィッシャートロプシュ法は、COおよびH2が炭化水素に触媒されるほんの一例である。フィッシャートロプシュ法によって生成される炭化水素はC1〜C200またはそれより高級のものを含み、ほとんどは約C1〜C50の範囲内にある。

発明が解決しようとする課題

0007

しかし、過去15年間、液体燃料は燃焼タービンに選択される燃料ではなかった。これは、天然ガスなどのガス燃料を燃やすのに比べて、液体燃料を燃やすことに典型的に関連付けられる汚染のレベルがより高いためである。液体燃料は伝統的に非予混合(または拡散)モードで燃やされ、これにより、燃焼室内に比較的高温の領域が生じる。非予混合燃焼はNOXなどの汚染物質の量を増やし得るため、ガスタービンのための予混合燃焼室が開発されている。これらによって、燃焼室内の温度場をよりよく制御することが可能となる。さらに、非予混合モードで液体燃料を燃やす際にNOX化合物の排出を減らすために水または蒸気を燃焼室に導入することもまた、燃焼タービンハードウェアの効率および寿命に悪影響を及ぼす。

0008

その内容が引用により本願に援用される米国特許第7,089,745号は、燃焼用液体燃料気化させるためのシステムおよび使用方法を開示している。

課題を解決するための手段

0009

いくつかの実施例の説明
図2に示されるこの発明の1つの実施例は、合成ガス6を液体燃料25に転換するステップと、液体燃料25、および周囲空気より酸素含有量が少ない第1のガス35を用いて燃料ガス45を生成するステップと、燃料ガス45を、少なくとも1つの酸化剤を備える第2のガス55と接触させて燃焼ガス65を形成するステップとを備えるプロセスを提供する。炭素供給源1aがガス化ユニット5に送られ、ここでO2、空気、H2O、CO2、またはそれらの組合せ2が導入される。不純物7が除去され得、合成ガス6が形成される。合成ガス6は、変換ユニット20内で液体燃料25に転換される。液体燃料25、および周囲空気より酸素含有量が少ない第1のガス35を用いて、気化ユニット30内で燃料ガス45が生成される。燃料ガス45は、少なくとも1つの酸化剤を備える第2のガス55と予混合ユニット40内で接触させられて、燃焼ガス65が形成される。

0010

燃焼ガス65は、燃焼装置50内の火炎面(図示せず)に到達する前に(予混合モード)、または燃焼装置50内の火炎面で(非予混合モード)形成され得る。

0011

炭素供給源1aは特に限定されない。石炭1に加えて、他の炭素供給源1aが用いられ得る。合成ガス6が生成され得る炭素供給源1aのいくつかの例は、石炭、亜炭褐炭無煙炭亜瀝青炭微粒炭素化石燃料、固体炭化水素、液体炭化水素、残留油、低AP重力燃料油タールサンド油、シェール油、VacResid、石油コークス石油ボトム、アスファルト、APIアスファルト、残留コークス、天然ガス、廃棄物、ビチューメン、ORIMULSION(商標)(ビチューメンの水性乳濁液)、バイオマス、炭水化物セルロース系材料泥炭トウモロコシ、藁、木材、木材残留物肥料下水汚泥籾殻稲藁エンバク殻、樹皮、タイヤおよび/またはタイヤ由来燃料、残留フルフラール、エンバク殻、スイッチグラスオリーブのかす、サンサ、一本の木材から出る廃物サトウキビバガス、未消化乾燥下水汚泥、消化乾燥下水汚泥、カーペット製造織端、使用済カーペット、にわとりの寝藁、七面鳥の寝藁、積層床材ちり、都会植物性廃棄物パルプ汚泥、トウモロコシの茎葉エタノール工場で生じる乾燥された蒸留穀物残渣、ならびにそれらの混合物の1つ以上を含む。

0012

ガス化ユニット5は、炭素供給源1aを合成ガス6に変換するかぎり特に限定されない。ガス化ユニット5は固定床流動床循環流動床または噴流型であり得る。ガス化ユニット5において、炭素供給源1aは、O2、空気、H2O、蒸気、CO2、またはそれらの組合せの給送2と組合せられる。示されていないが、1つの実施例では、周知のように、ガス化ユニット5へのO2給送2は空気分離器ユニット(ASU)内で生成され得る。炭素供給源1aの変換は、部分酸化、触媒部分酸化、蒸気改質、自己熱改質、CO2改質水性ガスシフト圧力スイング吸着、またはそれらの組合せの1つ以上を含み得る。

0013

図2に示されるように、スラグ、水銀、アルカリ金属、固体、すす、ちり、灰、硫黄、酸ガス、H2S、COS、NH3、HCN、HBr、HCl、HF、CS2などの不純物7が値を得るために除去されるか、回収され得る。所望であれば、CO2、H2O、CH4、N2、パラフィンエタンプロパン、およびオレフィン、エタン、プロペンタール有機化合物などの他の成分が値を得るために除去され、および/または回収され得る。これらを除去する方法は当該技術において公知である。合成ガス6はまた、バイオマスのガス化から生成されるいわゆる「生合ガス(biosyngas)」も含み得る。主としてH2とCOとの混合物である、このように生成された合成ガス6は、変換ユニット20に供給するために乾燥して清浄であり得る。この点に関して、ガス化ユニット5と変換ユニット20とは流体接続されている。

0014

図2に示されるように、合成ガス6は、変換ユニット20に送られて液体燃料25に転換され得る。合成ガス6を炭化水素に転換するための方法は周知である。1つの実施例では、変換ユニット20はフィッシャートロプシュ反応器を備える。フィッシャートロプシュ(「FT」)法は、COおよびH2が炭化水素に触媒されるほんの一例である。FT生成物およびCOとH2との同様の反応から作られる生成物は、ほとんどが約C1〜C50の範囲内にあるC1〜C200またはそれより高級の炭化水素、直鎖高沸点炭化水素、中沸点油ディーゼル油再生可能ディーゼル、L−Pガス、ナフサ灯油ジェット燃料、JP−5、JP−8、JP−4、油♯1、燃料油♯2、含酸素化合物石炭液化油テールガス廃水など、およびそれらの混合物を含む。

0015

図2に示されるような変換ユニット20のためのフィッシャートロプシュ反応器の種類は特に限定されない。FT反応器のいくつかの例は、管状の固定床反応器、Arge反応器、Sasol advanced synthol(SAS)反応器、Sasol slurry phase distillate(SSPD)反応器、高温フィッシャートロプシュ(300〜330℃で流動触媒を用いる)、低温フィッシャートロプシュ(200〜230℃で管状の固定床反応器を用いる)、噴流床反応器、固定流床反応器、およびスラリーバブル柱状反応器を含む。

0016

示されない1つの実施例では、FTまたは同様のプロセスの副生成物として発生し得、CO、H2、CO2、CH4、C2H6、H2O、N2、Arおよび他の気体炭化水素の1つ以上を含有し得るテールガスが、適宜、値を得るために回収されるか、または本明細書中の1つ以上のユニットまたはステップに再利用され得る。別の実施例では、テールガスの1つ以上の上記成分が、値を得るために回収されるか、または本明細書中の1つ以上のユニットまたはステップに再利用され得る。

0017

合成ガスから得られるかぎり、多くの液体燃料25が、本明細書中で説明されるシステムおよびプロセスにおける使用に好適である。「液体燃料」という用語は、周囲条件で通常は液体状態にある炭化水素、ならびに冷却および/または加圧によって液化された気体炭化水素を含むと理解すべきである。そのような液体燃料25は、1つ以上の液体および/または液化気体炭化水素、炭化水素含有量を増大させた液化天然ガス、液化C2、C3、C4、液体C5、C6、C7、C8、C9、およびそれより高級の炭化水素、直鎖中沸点および高沸点炭化水素、少なくとも2つの炭素を有する少なくとも50重量%の炭化水素分子を有する「より高級な炭化水素燃料」、ディーゼル、再生可能ディーゼル、L−Pガス、ナフサ、灯油、ジェット燃料、JP−5、JP−8、JP−4、燃料油♯1、燃料油♯2、含酸素化合物、石炭液化油など、ならびにそれらの混合物を備え得る。1つの実施例では、液体燃料25は、周囲条件で通常は液体状態にある炭化水素を含む。別の実施例では、液体燃料25は、冷却および/または加圧によって液化された気体炭化水素を含む。さらに別の実施例では、液体燃料25は、周囲条件で通常は液体状態にある炭化水素と、冷却および/または加圧によって液化された気体炭化水素との混合物を含む。

0018

図2に示されるように、液体燃料25は気化ユニット30に送られる。液体燃料25および第1のガス35を用いて、気化ユニット内で燃料ガス45が生成される。気化ユニット30において、液体燃料25は第1のガス35と接触させられて混合する。液体燃料25も気化される。接触および気化が起こる順序は特に限定されない。いくつかの実施例では、第1のガス35が、液体燃料25を気化させるのに十分な温度まで余熱されたときなどに、接触および気化は同時に起こる。他の実施例では、たとえば液体燃料25を第1のガス35と接触させる前に加熱することによって、液体燃料25は部分的にまたは完全に気化される。いくつかの実施例では、第1のガス35は接触および気化の前に加圧および/または加熱される。好適な気化ユニット30の例が、引用により本願に既に援用されている米国特許第7,089,745号に説明されている。

0019

図2には示されていないが、1つの実施例では、液体燃料25は、気化ユニット30に送られる前に保管容器に送られ、一定期間保管され得る。図2には示されていない別の実施例では、液体燃料25は、トラック鉄道パイプライン、またはによって気化ユニット30に輸送され得る。別の実施例では、液体燃料25は、保管容器と、トラック、鉄道、パイプラインまたは船による輸送との組合せによって気化ユニット30に送られ得る。別の実施例では、液体燃料25は気化ユニット30に直接給送される。この点に関して、変換ユニット20は気化ユニット30と流体接続されている。

0020

第1のガス35の酸素含有量は、周囲空気のそれより少ない。1つの実施例では、第1のガス35の酸素含有量は、周囲温度および圧力でO2が約21%未満である。1つの実施例では、第1のガス35のO2含有量は、周囲温度および圧力でゼロまたは実質的にゼロから約21%未満である。この範囲は、その間のすべての値および下位範囲を含み、0、実質的にゼロ、1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20および約21%未満を含む。

0021

1つの実施例では、第1のガス35のO2含有量は限界酸素指数より低い。限界酸素指数(LOI)は、それより低くなると物質が燃焼を支持しなくなる、局所環境中酸素濃度であり、液体燃料の種類ごとに異なる。LOIは典型的に約10%から約14%であり、多くのより高級の炭化水素燃料については約13%である。1つの実施例では、第1のガス35のO2含有量は14%より低い。これはその間のすべての値および下位範囲を含み、14,13,12,11,10,9,8,7,6%より下、およびそれより下を含む。

0022

第1のガス35の酸素量を制限すると、自己発火の開始が遅れるか抑制されることになる。第1のガス35の酸素含有量を減らせば減らすほど、自己発火がさらに抑制されるか遅れる。しかし、より少ない酸素含有量でガス流を生成するためにより多くの仕事(すなわちエネルギ)が必要となり、システムの全体効率が下がる。したがって、いくつかの実施例では、第1のガス35の酸素含有量は、自己発火を抑制するか遅らせるよう十分低い。

0023

1つの実施例では、第1のガス35の酸素含有量は、燃料ガス45の燃焼が支持されないように十分低い。1つの実施例では、第1のガス35の酸素含有量は、燃焼ガス65の自己発火が遅れるか減少するように十分低い。

0024

含有する酸素量が減っている限り、第1のガス35の組成は特に限定されない。第1のガス35の非限定の例は、不活性ガス窒素アルゴン水素一酸化炭素二酸化炭素、NOX、SOX、炭化水素、メタン、エタン、プロパン、ブタンアンモニア、空気分離器ユニットによって供給されるガス、排ガス高温排ガス75、低温排ガス125、合成ガス6、またはそれらの組合せの1つ以上を含む。1つの実施例では、第1のガス35は、本明細書中の1つ以上のユニットまたは燃焼装置から供給され得る。

0025

1つの実施例では、第1のガス35は、空気分離器ユニット(図示せず)によって生成されるN2である。これは、他の場合では廃棄物となってしまうものを有利に使用することになる。たいていのガス化処理では、石炭の部分酸化においてほぼ純粋な酸素を用いて合成ガスを生成する。この酸素は、周囲空気から酸素および窒素を分離する空気分離ユニット(ASU)によって生成される。ASUによって生成される窒素は典型的に廃棄物であるとみなされ、NOX排出の削減を図って合成ガス火力燃焼タービンによって燃やされるクリーン合成ガスに注入されることがある。しかし、1つの実施例では、窒素ガスのすべてまたは一部を第1のガス35において利用して燃料ガス45を作り出すことが考えられる。ASUから既に入手可能な廃棄窒素を用いることによって、本願のプロセスのエネルギ要件がかなり低くなる。天然ガス火力燃焼タービン内に存在する低NOX燃焼ハードウェアには、合成ガス火力燃焼タービンのハードウェア要件とは対照的に、追加の窒素を加える必要がないことにも注目すべきである。

0026

1つの実施例では、第1のガス35の量、圧力、温度および組成の1つ以上が計測および制御され得る。ガスの制御および/または計測方法は公知である。

0027

一旦生成されると、図2に示されるように、燃料ガス45は予混合ユニット40に給送される。予混合ユニット40においては、燃料ガス45は第2のガス55と接触させられて、燃焼ガス65が形成される。

0028

第2のガス55は少なくとも1つの酸化剤を含有する。1つの実施例では、第2のガス55は、燃焼ガス65内の燃焼を支持するのに十分な量の少なくとも1つの酸化剤を含有する。酸化剤は特に限定されない。酸化剤の非限定の例は、周囲空気、酸素ガス二酸化窒素、オゾンなど、およびそれらの組合せを含む。第2のガス55は、周囲空気中の量と等しいかもしくはそれより多い量、または約21%存在する酸素を有し得る。この範囲は、その間のすべての値および下位範囲を含み、21%、21%より多量、22,23,24,25,26,27,28,29,30,35,40,50,60,70,80,90,95,96,97,98,99、実質的に100%、および100%酸素(O2)を含む。

0029

1つの実施例では、第2のガス55はASUによって供給される。別の実施例では、第2のガス55は周囲空気であり得る。別の実施例では、第2のガス55は圧縮器によって供給され得る。第2のガス55は代替的に、これらの組合せであってもよい。

0030

示されていないが、1つの実施例では、燃料ガス45と混合させるために予混合ユニット40に第2のガス55を供給するのに加えて、または、燃焼装置50内の火炎面で燃料ガス45と第2のガス55とを接触させるのに加えて、酸化剤、圧縮酸化剤圧縮酸素含有ガスまたは酸素が、燃焼装置50内で燃える燃料の下流に加えられ得る。付加的な酸化剤、たとえば酸素、を燃焼後排気流に給送すると、排気流図3の75)内の未燃焼燃料および/または一酸化炭素の酸化を高めることによって汚染物質を減らすことができる。

0031

1つの実施例では、燃焼装置50は、火炎面で燃料ガス45を第2のガス55と接触させるよう構成される。このようにして、燃焼ガス65が火炎面で形成され得る。別の実施例では、予混合ユニット40を利用する場合、燃焼ガス65は、燃焼装置50内の火炎面(図示せず)に到達する前に形成される。1つの実施例では、火炎面は、燃焼装置50の一次燃焼帯(図示せず)において発生する。燃焼ガス65が火炎面に到達する前に形成される予混合モードでは、混合が高まり温度が下がるため、汚染物質の排出が減少し得る。燃料ガス45と第2のガス55とが燃焼装置50の火炎面で接触する非予混合モードでは、汚染物質の排出が増加し得る。

0032

燃焼装置50は、予混合モード用または非予混合モード用のいずれかに構成され得る。燃焼装置50は、たとえばガスタービンであり得る。燃焼装置は、拡散燃焼、Rich Quench Lean(RQL)燃焼、または予混合燃焼用に構成され得る。非予混合モードの場合、燃焼装置50は拡散燃焼モードで動くよう構成され得る。これらの場合、拡散燃焼器が利用される。予混合モードの場合、燃焼装置50は「Rich Quench Lean(「RQL」)」または予混合燃焼器を利用し得る。これらの種類の燃焼器は当該技術において公知である。

0033

図2の燃焼ガス65は、所望の通り燃焼装置50に給送され得る。
別の実施例は、合成ガス6を液体燃料25に転換するよう構成される変換ユニット20と、液体燃料25、および周囲空気より酸素含有量が少ない第1のガス35を用いて燃料ガス45を生成するよう構成される気化ユニット30と、燃料ガス45を、少なくとも1つの酸化剤を備える第2のガス55と接触させ、燃焼ガス65を形成するよう構成される予混合ユニット40とを備えるシステムを提供する。この実施例の一例が図3に示される。

0034

図3に示されるように、1つの実施例では、液体燃料25は、気化ユニット30に送られる前に保管容器に送られ、一定期間保管され得る。別の実施例では、液体燃料25は、トラック、鉄道、パイプライン、または船によって気化ユニット30に輸送され得る。別の実施例では、液体燃料25は、保管容器と、トラック、鉄道、パイプラインまたは船による輸送との組合せによって気化ユニット30に送られ得る。液体燃料25は容易に保管および出荷可能であり、気体−液体または石炭−液体プロセス発電プロセスに統合する必要性が大幅に低下するという利点が得られる。気体−液体または石炭−液体プロセスと発電プロセスとを同じ場所で行う必要性がなくなるという利点もある。図4に示されるような別の実施例では、液体燃料25は気化ユニット30に直接給送される。この点に関して、変換ユニット20は気化ユニット30と流体接続されている。

0035

図3に示されるように、天然ガス燃焼装置であり得る燃焼装置50には燃焼ガス65が与えられる。電力105が生成される。高温排ガス75は熱回収蒸気発生器60に給送される。

0036

任意で、代替肢として、高温排ガス75のすべてまたは一部が第1のガス35の希釈ガスとして利用され得る。1つの実施例では、排ガス75の一部が熱回収蒸気発生器60に熱を与え、一部が第1のガス35の希釈ガスとして利用される。また、排ガス75は、燃料ガス45を加熱するまたは気化させるのに用いられ得る。

0037

熱回収蒸気発生器60は、水給送85を加熱して、高圧蒸気135および低温排気125を生成する。低温排気125は排気筒(図示せず)に給送されて捨てられ得るか、または所望の通り本明細書中に説明される1つ以上のユニットに再利用され得る。たとえば、低温排気は第1のガス35の希釈剤として利用され得る。

0038

高圧蒸気135は蒸気タービン70に給送されて、電力105および低圧蒸気145を生成する。低圧蒸気は、所望であれば、本明細書中で説明される1つ以上のユニットにおいて利用され得る。たとえば、低圧蒸気はガス化ユニット5への給送2において利用され得る。

0039

別の実施例は、合成ガス6を第1および第2の部分6aおよび6bに分離するステップと、合成ガス6の第1の部分6aを液体燃料25に転換するステップと、液体燃料25、および周囲空気より酸素含有量が少ない第1のガス35を用いて燃料ガス45を生成するステップと、燃料ガス45を、少なくとも1つの酸化剤を備える第2のガス55と接触させて燃焼ガス65を形成するステップと、合成ガス6の第2の部分6bを改良燃焼装置80で燃焼するステップとを備えるプロセスを提供する。改良燃焼装置の例は、改良ガスタービン80aである。このプロセスに従った1つの実施例が図7に示される。

0040

別の実施例は、合成ガス6を第1および第2の部分6aおよび6bに分離するよう構成される分離器ユニット100と、合成ガス6の第1の部分6aを液体燃料25に転換するよう構成される変換ユニット20と、液体燃料25、および周囲空気より酸素含有量が少ない第1のガス35を用いて燃料ガス45を生成するよう構成される気化ユニット30と、燃料ガス45を、少なくとも1つの酸化剤を備える第2のガス55と接触させ、燃焼ガス65を形成するよう構成される予混合ユニット40と、合成ガス6の第2の部分6bを燃焼するよう構成される改良燃焼装置80とを備えるシステムを提供する。合成ガス6を燃焼するように改良されている、改良燃焼装置80の一例は、改良ガスタービン80aである。このシステムに従った1つの実施例が図7に示される。

0041

図7に示されるように、合成ガス6を第1および第2の部分6aおよび6bに分離する分離器100が設けられる。合成ガス火力燃焼装置80および燃焼燃料火力燃焼装置50の両方からの電力および蒸気力複数発生という利点が得られる。

0042

別の実施例は、合成ガス6の流れのすべてまたは一部を第1の燃焼装置および変換ユニット20の一方または両方に送るよう構成される切換ユニットを備え、変換ユニット20は合成ガス6を液体燃料25に転換するよう構成されており、さらに、液体燃料25、および周囲空気より酸素含有量が少ない第1のガス35から燃料ガス45を生成するよう構成される気化ユニット30と、燃料ガス45を、少なくとも1つの酸化剤を備える第2のガス55と接触させ、燃焼ガス65を形成するよう構成される予混合ユニット40とを備えるシステムを提供する。そのようなシステムの例が図8に示される。

0043

別の実施例は、合成ガス6の第1の流れを燃焼用の第1の燃焼装置に送るステップと、その後、第1の流れのすべてまたは一部を第1の燃焼装置から遠ざけるように切換えて合成ガス6の第2の流れを生成するステップと、合成ガス6の第2の流れを液体燃料25に転換するステップと、液体燃料25、および周囲空気より酸素含有量が少ない第1のガス35を用いて燃料ガス45を生成するステップと、燃料ガス45を、少なくとも1つの酸化剤を備える第2のガス55と接触させて燃焼ガス65を形成するステップとを備えるプロセスを提供する。

0044

別の実施例は、合成ガス6を第1および第2の部分6aおよび6bに分離するステップと、合成ガス6の第1の部分6aを液体燃料25に転換するステップと、液体燃料25、および周囲空気より酸素含有量が少ない第1のガス35を用いて燃料ガス45を生成するステップと、燃料ガス45を、少なくとも1つの酸化剤を備える第2のガス55と接触させて燃焼ガス65を形成するステップと、合成ガス6の第2の部分6bを改良燃焼装置80で燃焼するステップとを備えるプロセスを提供する。

0045

石炭−液体(CTL)プロセスによって生成される液体燃料25は、燃焼特質および汚染物質排出に関して、多くの点で原油から精製される同等の燃料より優れている(表1参照)。

0046

表I.フィッシャートロプシュディーゼル燃料特性

0047

0048

液体燃料25を第1のガス35と接触させて気化させる(本明細書中ではLPPプロセスと称されることもある)と、液体燃料25が燃料ガス45(合成天然ガスまたは「LPP GAS(商標)」と称されることもある)に転換され、これは、従来の天然ガス乾式低排出燃焼ハードウェア内で燃やされ得る。本発明のプロセスおよびシステムにより、NOXの低排出レベルを達成するのに水または蒸気を用いる必要がなくなる。

0049

燃焼ガス65を作り出すのに合成ガス6を用いることによって、ガス化ユニット5は、燃焼タービン80の連続的なまたはベース負荷の動作をもはや必要としなくなる。燃焼タービン80負荷が減少すると、生成された過剰な液体燃料25は必要に応じて近くのタンクに保管されるか、またはパイプライン、トラックもしくは鉄道で配送されることになる。燃焼タービン80が完全に停止された場合、ガス化および変換ユニット5および20は運転し続けて、部分負荷運転について説明されたように、生成された燃料液体25を保管または配送することができる。

0050

この発明により、各々が、液体燃料25を従来の燃焼タービンで燃やされることになるLPP GAS(商標)に転換するためのLPPスキッド(または気化ユニット30)と組合された1つ以上の従来の天然ガス火力燃焼タービンを利用することが可能である。LPP(商標)スキッド/従来の燃焼タービンハードウェアは、必要に応じて「ピークモード」で運転可能であり、合成ガス6の生成速度を変えることなく、工場全体が電気負荷の変化に応答できるようになる。ガスタービンは、図7および図8に示されるような複合サイクルモードで、または単純なサイクル構成で運転可能である。

0051

ガス化/石炭−液体(CTL)工場と発電所とを完全に切離すことも可能である(図9参照)。石炭液化油はガス化/CTL工場で生成され、LPP(商標)技術が装備された独立型の燃焼タービンに出荷されることになる。これにより、ガス化/CTL工場を、石炭供給源の近傍の場所を含むどのような場所にも配置することができるという付加的な利点が得られることになる。石炭供給源の近傍の場所は、石炭の輸送費を削減し、ガス化工場から出るスラグ廃棄物の処分を促進することになる。

0052

この発明により、過剰な石炭液化油は、LPP(商標)技術を含む独立型の燃焼タービンに容易に輸送され得る。

0053

この発明は他の利点を内包する。石炭ガス化工場に予備のガス化装置が不要となれば、工場資本コストを大幅に削減することが可能である。石炭ガス化工場のガス化装置ハードウェア部分は、非常に高い温度および圧力で運転する。ガス化装置ハードウェアの信頼性は、主要なガス化装置が故障したり保守を必要とする場合に備えて予備のガス化装置を「ホットスタンバイ」として作ることが工場の経済的側面上必要となり得るようなものであることがわかっている。スタンバイガス化装置が必要とされるのは、ガス化装置を修理するのに必要な所要時間が長く、生成される合成ガス6はガス化装置の修理中の使用のために保管不可能であるためである。典型的なIGCC工場では、ガス化装置ハードウェアには数千万または数億ドルかかり得る。

0054

別の利点は、CTL工場および発電所の所有権および運転を分離できることである。IGCC工場の懸念の1つは、石炭ガス化プロセスが、電力業界が豊富な経験を有しない複雑な化学プロセスであるということである。この発明により、石炭ガス化/CTL工場を発電所から切離すことができる。これにより、処理工場会社がガス化/CTL工場を所有および運転することが可能になる一方で、公益または独立電力会社が、LPP(商標)スキッドとともに燃焼タービン工場を運転可能となる。

0055

希薄な予混合燃焼を採用する乾式低公害型(Dry Low Emissions:DLE)システムを燃焼タービン内の天然ガスとともに用いて、厳しい排出基準を満たすことに成功している。しかし、DLEシステム内で液体燃料を燃やすことは、燃料気化および空気予混合の複雑さのため依然として難しい課題である。1つの実施例では、Lean, Premixed, Prevaporized(LPP)(商標)燃焼が、灯油および燃料油などの液体燃料を燃やしつつ汚染物質の低排出を達成している。

0056

別の実施例では、液体燃料25は、合成ガス中間物を用いる必要がなく、かつFTまたは他のプロセスを用いた変換の必要がない直接変換方法によって生成され得る。したがって、1つの実施例では、ガス化5および変換20の代わりにこれらの直接変換プロセスが用いられ得る。これらの直接変換方法は当該技術において公知である。

0057

直接変換方法の非限定の例は、石炭の直接変換、石炭の溶剤精製、石炭の液体溶剤精製、バイオマスの直接変換、木屑の直接変換などを含む。バイオマス、木屑などの直接変換では、不活性雰囲気中で、バイオマス、木屑などの熱分解から熱分解油が生成され得る。これらの直接変換方法から生じる液体燃料25の種類の非限定の例は、溶剤精製石炭燃料、液体溶剤精製石炭燃料、熱分解油など、およびそれらの組合せを含む。

図面の簡単な説明

0058

先行技術のIGCC工場のブロック図である。
本発明の1つの実施例のブロック図である。
本発明の別の実施例のブロック図である。
本発明の別の実施例のブロック図である。
本発明の1つの実施例のブロック図である。
本発明の別の実施例のブロック図である。
本発明の別の実施例のブロック図である。
本発明の別の実施例のブロック図である。
本発明の別の実施例のブロック図である。

0059

図面の凡例
石炭1
石炭供給源1a
給送2
合成ガス6
合成ガス6第1の部分6a
合成ガス6第2の部分6b
不純物7
変換ユニット20
液体燃料25
気化ユニット30
第1のガス35
予混合ユニット40
燃料ガス45
燃焼装置50
燃焼タービン50a
第2のガス55
熱回収蒸気発生器60
燃焼ガス65
蒸気タービン70
高温排ガス75
改良燃焼装置80
改良燃焼タービン80a
水85
O295
分離器ユニット100
電力105
低温排ガス125
高圧蒸気135
低圧蒸気145
切換ユニット200

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