JP4451741B2 - 重質油改質装置、改質方法及びコンバインド発電システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧の重質油と高圧の蒸気を、触媒を用いずに高温で反応させて重質油を分解し、軽質化された改質油を生成するようにした重質油改質装置と改質方法に関する。また、改質油をガスタービン燃料に用いて発電し、かつ、ガスタービン排ガスの保有熱を回収して蒸気を製造し蒸気タービンを駆動して発電するコンバインド発電システムに関する。

重質油と水を混合し、水が超臨界域またはその近傍となる反応条件下で重質油を分解し、生成された改質油をガスタービン燃料として発電し、一方でガスタービン排ガスの保有熱を回収して蒸気を製造し蒸気タービンを駆動するコンバインド発電システムは知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平11-80750号公報（要約）

重質油の改質においては、一般に重質油と水の混合流体を３５０〜５５０℃程度の温度まで短時間で加熱するとともに、1〜１０分の滞留時間を確保することが望まれる。混合流体を短時間で３５０〜５５０℃の温度まで高める方法としては、加熱用の蒸気温度を高めるか、または混合流体の速度を速くして加熱蒸気と混合流体の間の伝熱量を大きくする方法がある。

このうち、蒸気温度は改質器材料の許容応力が、ある温度を超えると急激に低下するために無制限に高くすることはできない。例えば、改質器の材料にＳＵＳ３１６を用いた場合には５５０℃付近で応力が急激に低下する。

一方、改質器内の混合流体の速度を上げる場合には、次に述べる課題がある。改質器の容器内径が一定の場合、混合流体の速度をｎ倍にすると滞留時間を確保するために改質器の高さもｎ倍にする必要がある。例えば、改質容器内の混合流体の速度を０．５ｍ/ｓｅｃとすると、最短の滞留時間1分を確保するのに３０ｍの容器高さが必要になる。

混合流体の速度が遅いと、加熱蒸気と混合流体の間の伝熱量が小さくなるだけでなく、改質燃料の製造量が少なくなる。また、改質器内の伝熱面に付着した重質油が高温場で長時間さらされるためにコークス化する可能性がある。コークスは改質器の容器材料である金属と比較して熱伝導率が低いため、加熱蒸気と混合流体の間の熱抵抗となり、改質を行うのに好適な反応温度である３５０〜５５０℃まで加温できなくなる可能性がある。

本発明の目的は、重質油加熱用の蒸気の温度を上昇、或いは改質器の高さを大きくすることなく、改質器にて混合流体を短時間で反応させることができるようにした重質油改質装置、改質方法および重質燃料焚きコンバインド発電システムを提供することにある。

本発明は、高圧の重質油と高圧の蒸気を混合する気液混合器と、前記気液混合器で混合された混合流体を改質反応温度まで加熱する改質予熱器を備え、前記改質予熱器で改質反応温度まで高められた混合流体を、改質反応温度に保温された改質器に流入させて重質油を改質するようにしたことにある。

本発明によれば、重質油加熱用の蒸気の温度を上昇、或いは改質器の高さを大きくすることなく、改質器において、３５０〜５５０℃の反応温度、１〜１０分の滞留時間を容易に達成することができる。

本発明の重質油改質方法は、高圧の重質油と高圧の蒸気よりなる混合流体を予め改質反応温度まで加熱してから、改質反応温度に保温された改質器に流入させて改質反応を行わせることにある。

また、本発明のコンバインド発電システムは、前記重質油改質装置で製造された改質油をガスタービン燃料として発電する発電装置と、ガスタービン排ガスの保有熱を回収して蒸気を製造する蒸気ボイラと、前記蒸気ボイラで製造された蒸気により蒸気タービンを駆動して発電する装置とを備え、前記蒸気ボイラで前記改質器に導入される重質油改質用蒸気を製造するようにしたことにある。

本発明は、重質油と蒸気との混合流体を改質器に導入した後に、改質を行うのに好適な反応温度である、３５０〜５５０℃の温度に加熱するのではなく、改質予熱器で予め３５０〜５５０℃程度の温度まで上昇させる。このため、改質器では、改質反応に好適な温度と滞留時間を容易に確保することができる。

このような改質反応プロセスとすることにより、重質油加熱用の蒸気の温度を必要以上に上げることなく、また改質器の高さを必要以上に大きくすることなく、改質器にて混合流体を短時間で反応させることができるようになる。また、本発明では、ほぼ均一の温度場で改質反応を生じさせることができるので、ガスタービンの運転が容易な、ほぼ均一の組成を有する改質燃料を製造することができる。また、本発明によれば、大量の重質油の改質が可能である。

重質油の改質反応に好適な温度と圧力の範囲について説明する。

ガスタービン燃料として重質油を使用する場合、タービン翼を腐食させる可能性があるバナジウムを低減させることが望まれる。要素試験により、重質油を改質した後の改質油中のバナジウム濃度が、反応温度と圧力により、どのように影響されるかを調べた。結果を図２及び図３に示す。

図２は反応温度とバナジウム濃度との関係を示している。縦軸のバナジウム濃度は対数で示している。試験した３５０℃以上の温度領域では、バナジウム濃度は反応温度が高くなるほど低くなる結果が得られた。本発明の重質油改質装置をガスタービンシステムに適用する場合、比較的安価なステンレス材を前提にすると、許容応力が急激に低下しない５５０℃以下にすることが望ましい。これらより、反応温度としては３５０〜５５０℃の温度領域が好適である。

図３は４５０℃の反応温度条件における圧力とバナジウム濃度との関係を示している。試験した５〜３０ＭＰａの圧力条件ではバナジウム濃度は２０ＭＰａの条件よりも小さく、改質燃料を製造する圧力条件として問題がないことが確認された。

以上の試験結果より、改質反応条件としては圧力５〜３０ＭＰａ、温度３５０〜５５０℃の範囲が、ガスタービンシステムに適用するのに好適である。

本発明の他の特徴については、以下に述べる実施例の中で明らかになるであろう。

本発明に係る重質燃料焚きコンバインド発電システムの実施例について、図１を用いて説明する。

本実施例の発電システムには、ガスタービン２４、ガスタービン排ガス２１の保有熱を回収して蒸気を発生する蒸気ボイラ１０、蒸気ボイラ１０で製造した蒸気により駆動される蒸気タービン２６、重質油を改質する改質器１４、改質器に供給される重質油と蒸気を予熱する改質予熱器１３および重質油と蒸気を混合する気液混合器１２が備えられている。

重質油タンク１から供給された重質油３は、重質油予熱器４に送られ、改質予熱器１３から送られた重質油予熱器加熱用蒸気３２と重質油加圧ポンプ２とにより５〜３０ＭＰａ、最高温度としてコークス化を起こさない３５０℃以下の温度まで加圧、加温される。一方、水タンク５から給水ポンプ６により供給された水９は循環水ポンプ７を介して蒸気ボイラ１０に供給され、水加圧ポンプ８と蒸気ボイラ１０内で５〜３０ＭＰａ、３５０〜５５０℃の蒸気になるまで加圧、加熱される。それぞれ加圧、加温された蒸気１７と重質油３は、気液混合器１２にて混合され、混合流体となる。混合流体の温度は、蒸気と重質油の温度差により低下し、結果的に改質油のバナジウム濃度が大きくなる。

改質油中のバナジウム濃度を小さくするために、温度が低下した混合流体を改質予熱器１３の伝熱管３６内に高速で流して管内の熱伝達率を大きくし、伝熱管３６外の改質予熱器加熱用蒸気２９により短時間に加温する。この改質予熱器加熱用蒸気２９は蒸気ボイラ１０で製造される。改質油を製造するために必要な改質反応が良好に行われる温度条件である３５０〜５５０℃程度の温度になった混合流体３４は、改質器１４に流入する。改質器１４では、蒸気ボイラ１０から送られる改質器加熱用蒸気３０により３５０〜５５０℃の温度を維持させながら改質反応に必要な滞留時間１〜１０分を満たすようにする。

なお、重質油及び蒸気を共に低い温度で気液混合器１２において混合させ、混合流体を改質予熱器１３において３５０〜５５０℃まで加温してもよい。

改質器１４内で生成した改質油２２は、改質燃料供給系に設けた減圧調整弁１６にて所定の運転圧力に減圧する。一方、改質器１４内で改質しなかったタールはタール抜き出しバルブ２０により系外に抜き出す。減圧後の改質油２２は、空気２３と共にガスタービン２４に供給してタービンを駆動し、発電機２５にて電力を得る。更に、蒸気ボイラ１０で発生させた蒸気タービン用蒸気２８と抽気した全蒸気３１を蒸気タービン２６に供給してタービンを駆動し、発電機３３にて電力を得る。蒸気タービンからの排蒸気は復水器２７を経て水タンク５から供給される水と混合され、蒸気ボイラ１０に送られる。なお、図１中の符号１１は蒸気ドラムである。

以上の実施例においては、改質予熱器１３と改質器１４はそれぞれ1つのみであったが、必要な改質燃料すなわち改質油の流量に応じて、複数の改質予熱器と複数の改質器を並列に配置しても良い。

また、改質予熱器内の伝熱管の配置に高低差を設けて、混合流体の入口側が高く、出口側が低くなるようにすることにより、蒸気より比重の大きな油を、よりスムーズに改質予熱器から改質器に流出させることができる。下方に溜まった油は、定常運転時に改質器内で改質しなかったタールと同じようにタール抜き出しバルブ２０により系外に抜き出すことができる。

本実施例の構成によれば、混合流体が高速で改質予熱器内を流れるためにコークス化が抑制されるとともに、システムの起動時及び停止時にコークス化した重質油を高速の蒸気流により洗浄できる。また、加熱蒸気と混合流体の間の伝熱量が少なくなるのを抑制することができるとともに、停止時においては改質予熱器内の油を排除して災害ポテンシャルを低減できる。

本発明の第２の実施例を、図４を用いて説明する。本実施例では、改質器１４内の混合流体３４を改質反応に良好な温度である３５０〜５５０℃に維持するために、蒸気ボイラ１０で発生する蒸気ではなく、窒素等のガス３９を用いる。ブロア４３からの窒素等のガス３９を、蒸気ボイラ１０内に設置した改質器加熱ガス用熱交換器３８により、ガスタービン排ガス２１の保有熱を受熱して高温に加熱し、改質器１４に供給して改質器の混合流体３４の温度を一定に保つ。改質器加熱用蒸気に代えてガスを用いることにより、蒸気タービン２６、改質予熱器１３を経て重質油予熱器４へ蒸気を供給するラインと改質器１４に蒸気を供給するラインを別系統にできるため、ボイラの運転が容易になる。

本発明の第３の実施例を図５に示す。本実施例では改質予熱器１３と改質器１４を蒸気ボイラ１０内に配置した。改質予熱器１３と改質器１４の加熱にはガスタービン排ガス２１を用いる。

本実施例によれば、蒸気を抽気する蒸気配管系を省略することができるので、システムが簡素化される。

本発明の第４の実施例を図６に示す。本実施例では、製造した改質燃料を直接ガスタービンに供給して燃焼させるのではなく、製造した改質燃料を改質燃料タンク４４に一旦溜めて、配管又はトラックにより、改質燃料を使用できるガスタービン発電設備等に供給する。また、蒸気ボイラ１０には、油焚き等のボイラを用いて改質燃料を製造する。

本実施例によれば、ボイラシステムとガスタービンシステムとが独立して運用できる利点がある。

実施例１〜４に記載した重質油改質装置で使用するのに好適な改質予熱器と改質器について、図７〜９を用いて説明する。

図７は、改質予熱器１３および改質器１４の構造を示している。気液混合器１２で重質油３と蒸気１７が混合されることにより形成された混合流体３４は、改質予熱器１３に流入される。改質予熱器１３の内部には螺旋構造の伝熱管３６が設けられている。伝熱管３６は鉛直方向に配置されており、伝熱管への混合流体３４の入口は改質予熱器の上方に設けられ、出口は下方に設けられている。これにより、蒸気より比重の大きな油がスムーズに改質器予熱器１３から改質器１４に流出するようにしている。

改質器１４に流入した混合流体３４は、下降流路４０を下方に流れ、改質反応が進む。改質器１４内で生成した改質油とタールのうち、比重の大きなタールは改質器１４内の下部に付着し、タール抜き出しバルブ２０にて系外に抜き出される。一方、比重の小さな改質油２２は上昇流路４１を上昇し、改質反応に最適な滞留時間である１〜１０分を経た後に改質器１４から流出する。改質器１４内に上昇流路４０と下降流路４１とを形成することにより、比重の小さい改質油と比重の大きなタールとを容易に分離させることができる。

以上の機器構造とすることにより、停止時において改質予熱器１３内の油を系統外に取り出すことができ、火災による災害ポテンシャルを低減することができる。

また、螺旋構造の伝熱管３６を用いることにより、以下に示すような利点がある。気液混合器１２にて蒸気１７と重質油３が混合し、混合流体３４となる。混合流体３４は、改質予熱器１３内に設置した螺旋状の伝熱管３６内を高速で流れる。改質予熱器１３は伝熱管３６の内面と混合流体３４の間で高い熱伝達率が得られるように構成されている。一方、改質予熱器加熱用蒸気２９は、多孔板４５によって分散され、かつ流路面積を小さくした蒸気流路３７を高速で流れるため、伝熱管３６の外面と蒸気１７の間で高い熱伝達率が得られる。伝熱管３６の管内及び管外の熱伝達率を大きくすることにより、改質予熱器加熱用蒸気２９から混合流体３４への伝熱量は多くなる。伝熱量が多くなると、伝熱管は短くてよく、結果的に改質器１４のコンパクト化が可能となる。

改質予熱器１３で改質反応に良好な温度である３５０〜５５０℃に達した混合流体３４は改質器１４に流入する。改質器１４は下降流路４０と上昇流路４１から構成され、混合流体３４は下降流路４０を下向きに流れ、比重の大きなタールは改質容器１３の底面に付着し、比重の小さな改質油２２は上昇流路４１を流れて流出する。改質器１４の側面には蒸気ジャケット３５が設けられており、蒸気ジャケット内の蒸気流路４６に混合流体の温度よりも若干温度が高い改質器加熱用蒸気３０を流すことにより、改質器１４が改質反応に良好な温度である３５０〜５５０℃に保持される。

以上の改質予熱器及び改質器構造とすることにより、燃焼特性が安定する均一或いはほぼ均一な組成を有する改質油を製造できるだけでなく、機器のコンパクト化、安全性の向上を実現することができる。

改質予熱器１３の別の構造を図８に示す。同図にはＡ−Ａ断面も示した。改質予熱器１３内に多数の伝熱管３６を配置する。伝熱管は鉛直方向に配置し、混合流体が上方から下方に向かって流れるようにする。伝熱管径を小さくすることにより伝熱管３６の肉厚を薄くでき、また伝熱管内を流れる混合流体３４の速度を大きくできるため、改質予熱器加熱用蒸気２９から混合流体３４への伝熱量を増大することができる。

改質予熱器１３の別の構造を図９に示す。本実施例の改質予熱器１３は、螺旋状の伝熱管３６が外管４２で覆われた二重管構造になっており、環状の蒸気流路３７に改質予熱器加熱用蒸気２９が流れる。二重管の内管と外管の間のギャップを小さくすることにより伝熱管３６の外面と改質予熱器加熱用蒸気２９との熱伝達を大きくでき、更に蒸気の耐圧に必要な肉厚の厚い容器にする必要がないので、重量の低減とコンパクト化が達成できる。

本発明により、重質油加熱用蒸気の温度を必要以上に上昇させず、また改質器の高さを大きくせずに、改質器にて混合流体を短時間で反応させることができるようになった。本発明の重質油改質装置は、大量の改質燃料を必要とするシステムにおける改質装置として最適である。

重質改質燃料で運用するコンバインド発電システムに関する本発明の実施例を示す概略図。 バナジウム濃度と反応温度との関係を示す図。 バナジウム濃度と圧力との関係を示す図。 重質改質燃料で運用するコンバインド発電システムの他の実施例を示す概略図。 重質改質燃料で運用するコンバインド発電システムの更に他の実施例を示す概略図。 本発明の他の実施例による発電システムの概略図。 改質予熱器及び改質器の実施例を示す断面図。 改質予熱器の他の実施例を示す断面図。 改質予熱器の更に他の実施例を示す図。

符号の説明

１…重質油タンク、２…重質油加圧ポンプ、３…重質油、４…重質油予熱器、５…水タンク、６…給水ポンプ、７…循環水ポンプ、８…水加圧ポンプ、９…水、１０…蒸気ボイラ、１２…気液混合器、１３…改質予熱器、１４…改質器、１６…減圧調整弁、１７…蒸気、２０…タール抜き出しバルブ、２１…ガスタービン排ガス、２２…改質油、２３…空気、２４…ガスタービン、２５…発電機、２６…蒸気タービン、２８…蒸気タービン用蒸気、２９…改質予熱器加熱用蒸気、３０…改質器加熱用蒸気、３２…重質油予熱器加熱用蒸気、３３…発電機、３４…混合流体、３５…蒸気ジャケット、３６…伝熱管、３７…蒸気流路、３８…改質器加熱ガス用熱交換器、３９…ガス、４０…下降流路、４１…上昇流路、４２…外管、４３…ブロア、４４…改質燃料タンク、４５…多孔板、４６…蒸気流路。

Claims (18)

1. 高圧の重質油と高圧の蒸気を混合する気液混合器と、前記気液混合器で混合された混合流体を滞留させて重質油を改質する改質器を備えた重質油改質装置において、
   前記気液混合器で混合された混合流体の温度を改質反応温度まで上昇させる改質予熱器を有し、
   前記改質器は、前記改質予熱器で加熱された混合流体の温度よりも高温に保温され、
   前記改質予熱器は、前記混合流体の流れる伝熱管を加熱媒体によって外側から加熱する構造を有し、前記伝熱管は混合流体の流入する入口側が混合流体の流出する出口側に較べて高い位置に設けられていることを特徴とする重質油改質装置。
2. 請求項１に記載の重質油改質装置において、前記気液混合器に供給される重質油の温度が３５０℃以下であることを特徴とする重質油改質装置。
3. 請求項１又は２において、前記伝熱管が螺旋構造を有しており、鉛直方向に螺旋が形成されていることを特徴とする重質油改質装置。
4. 請求項１又は２において、前記伝熱管を複数本有し、それらが鉛直方向に配置されていることを特徴とする重質油改質装置。
5. 請求項３において、螺旋構造を有する前記伝熱管が外管で覆われて二重管構造になっており、前記伝熱管と前記外管の間に加熱媒体が流れるように構成されたことを特徴とする重質油改質装置。
6. 請求項１において、前記改質器は、混合流体が下方に流れるようにした下降流路と、その後、向きを変えて上方に流れるようにした上昇流路とを有することを特徴とする重質油改質装置。
7. 請求項１において、前記改質器が保温ジャケットを備えており、前記保温ジャケット内に前記改質予熱器で加熱された混合流体の温度よりも高温に加熱された媒体が供給されることを特徴とする重質油改質装置。
8. 請求項１において、前記気液混合器に導入される重質油改質用蒸気と前記改質予熱器及び前記改質器に導入される加熱媒体としての蒸気を製造するための蒸気ボイラを備えたことを特徴とする重質油改質装置。
9. 請求項１において、前記気液混合器に導入される重質油改質用蒸気が、ガスタービンの排ガスが保有する熱を回収して蒸気を製造する排熱回収蒸気ボイラによって製造されることを特徴とする重質油改質装置。
10. 請求項９において、前記排熱回収蒸気ボイラの内部に前記改質予熱器及び前記改質器が配置され、ガスタービンの排ガスによって前記改質予熱器に流入した混合流体が加熱され、前記改質器に流入した混合流体が保温されるようにしたことを特徴とする重質油改質装置。
11. 請求項９において、前記排熱回収蒸気ボイラから受熱してガスを加熱する熱交換器を有し、前記ガスによって前記改質器が保温されるようにしたことを特徴とする重質油改質装置。
12. 高圧の重質油と高圧の蒸気を混合した混合流体を、該混合流体の流れる伝熱管を加熱媒体によって外側から加熱する構造を有し、前記伝熱管は混合流体の流入する入口側が混合流体の流出する出口側に較べて高い位置に設けられている改質予熱器により重質油の改質に必要な温度にまで予め加熱したのち、前記混合流体の温度よりも高温の改質反応温度に保温された改質器に導入して重質油の改質を行うようにしたことを特徴とする重質油改質方法。
13. 請求項１２において、前記重質油と前記蒸気をいずれも重質油の改質反応が行われる圧力まで高めた状態で混合することを特徴とする重質油改質方法。
14. 高圧の重質油と高圧の蒸気を混合する気液混合器と、前記気液混合器で混合された混合流体の温度を改質反応温度まで上昇させる改質予熱器と、加熱された混合流体を滞留させて重質油を改質する改質器とを有し、前記改質器は前記改質予熱器で加熱された混合流体の温度よりも高温に保温され、前記改質予熱器は、前記混合流体の流れる伝熱管を加熱媒体によって外側から加熱する構造を有し、前記伝熱管は混合流体の流入する入口側が混合流体の流出する出口側に較べて高い位置に設けられている重質油改質装置と、前記重質油改質装置で生成された改質油を燃焼した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンの排ガスが保有する熱を回収して蒸気を製造する蒸気ボイラと、前記蒸気ボイラで製造された蒸気により駆動される蒸気タービンを備え、前記ガスタービンと前記蒸気タービンによってそれぞれ発電が行われ、前記蒸気ボイラにて前記改質器に導入される重質油改質用の蒸気が製造されるようにしたコンバインド発電システムにおいて、前記改質器に導入される前記重質油と重質油改質用の前記蒸気との混合流体を予め重質油が改質される反応温度まで予熱するための改質予熱器を備えたことを特徴とするコンバインド発電システム。
15. 請求項１４において、前記蒸気ボイラにより前記改質器および前記改質予熱器に流入する混合流体を加熱する媒体としての蒸気が製造されるようにしたことを特徴とするコンバインド発電システム。
16. 請求項１４において、前記蒸気ボイラの内部に前記改質予熱器及び前記改質器が配置され、ガスタービンの排ガスによって前記改質予熱器に流入した混合流体が加熱され、前記改質器に流入した混合流体が保温されるようにしたことを特徴とするコンバインド発電システム。
17. 請求項１４において、前記蒸気ボイラから受熱してガスを加熱する熱交換器を有し、加熱されたガスによって前記改質器が保温されるようにしたことを特徴とするコンバインド発電システム。
18. 請求項１４において、前記改質予熱器は、前記混合流体の流れる伝熱管を加熱媒体によって外側から加熱する構造を有し、前記伝熱管は混合流体の流入する入口側が混合流体の流出する出口側に較べて高い位置に設けられていることを特徴とするコンバインド発電システム。

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