合成ガス製造兼発電装置
【課題】装置の小型化を図ることができるようにする。
【解決手段】天然ガス加圧用コンプレッサ６２と発電機６５を蒸気タービン６３のタービン軸６４に連結し、天然ガス加圧用コンプレッサ６２の出口側にＡＴＲ６８を接続する。ＡＴＲ６８の出口側にボイラ７６を備えた合成ガスライン７５を接続する。蒸気タービン６３の入口側６３ａと出口側６３ｂに、コンデンサ７９とポンプ８０と合成ガスライン７５上のボイラ７６を経る閉ループ７７を接続する。天然ガス６６を天然ガス加圧用コンプレッサ６２にて加圧すると同時に昇温させてＡＴＲ６８へ供給し、オートサーマルリフォーミングにより高温高圧の合成ガス７４を生成させ、ボイラ７６にて冷却した高圧の合成ガス７４を合成ガスライン７５より回収させる。合成ガス７４の冷却によりボイラ７６で生じた蒸気７８ａにより蒸気タービン６３を駆動させて、天然ガス加圧用コンプレッサ６２と発電機６５を駆動させる。
【解決手段】天然ガス加圧用コンプレッサ６２と発電機６５を蒸気タービン６３のタービン軸６４に連結し、天然ガス加圧用コンプレッサ６２の出口側にＡＴＲ６８を接続する。ＡＴＲ６８の出口側にボイラ７６を備えた合成ガスライン７５を接続する。蒸気タービン６３の入口側６３ａと出口側６３ｂに、コンデンサ７９とポンプ８０と合成ガスライン７５上のボイラ７６を経る閉ループ７７を接続する。天然ガス６６を天然ガス加圧用コンプレッサ６２にて加圧すると同時に昇温させてＡＴＲ６８へ供給し、オートサーマルリフォーミングにより高温高圧の合成ガス７４を生成させ、ボイラ７６にて冷却した高圧の合成ガス７４を合成ガスライン７５より回収させる。合成ガス７４の冷却によりボイラ７６で生じた蒸気７８ａにより蒸気タービン６３を駆動させて、天然ガス加圧用コンプレッサ６２と発電機６５を駆動させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス等のメタンを部分酸化改質してＧＴＬ技術における原料とするための合成ガスを製造すると共に発電を行なう合成ガス製造兼発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスはメタンを主成分としており、常温では気体である。このため、天然ガスを取り扱う場合、従来はパイプラインで輸送したり、あるいは、天然ガスを冷却し液化させてＬＮＧとすることにより、液体の状態で輸送、貯蔵等を行なうようにしている。
【０００３】
ところが、上記天然ガスをＬＮＧとするためには−１６３℃という極低温にまで冷却する必要があり、この冷却に莫大なエネルギーを必要とすると共に、極低温状態を保持した状態で輸送や貯蔵を行うための特殊な輸送設備、貯蔵設備が必要になる。更に、所要の需要先へ燃料として供給する場合には、ＬＮＧを気化（ガス化）させて再び天然ガスとするためのガス化設備も必要になる。そのために、中小規模のガス田や、パイプライン設備の整っていないガス田の天然ガスを利用することは難しいのが現状である。
【０００４】
そこで、近年では、天然ガスを原料として、ガソリン、灯油、軽油の如き常温で輸送可能な液体燃料に化学的に変換するＧＴＬ（Gas To Liquids）技術が開発されてきている。かかるＧＴＬ技術としては、天然ガス中のメタンを、水素と一酸化炭素とからなる合成ガス（Syngas）に一旦改質（転換）した後、該合成ガスを原料としてフィッシャー・トロプシュ反応（ＦＴ反応）により水素と一酸化炭素から所望の炭化水素を製造（合成）する手法が広く知られている。又、上記合成ガスの製造方法の一つとしては、自己熱改質型のオートサーマルリフォーミングが知られている。これは、反応器であるＡＴＲ（Auto Thermal Reformer）（部分酸化改質炉）に、天然ガス及び水蒸気に所要量の酸素を加えて供給して、該酸素を用いて天然ガスの一部を燃焼（酸化）させ、この燃焼により発生する熱により、吸熱反応であるメタンの水蒸気改質を行わせるようにするものである。
【０００５】
従来、天然ガスを液体燃料に化学的に変換させるＧＴＬ技術の過程で用いられている上記ＡＴＲを備えた形式の合成ガス製造設備は、図３に概略を示す如く、ＡＴＲ１の入口側に、予熱器３を備えた天然ガスライン２を接続して、図示しない天然ガス供給部より上記天然ガスライン２を通して供給される天然ガス４を、予熱器３で予熱した後、ＡＴＲ１へ供給すると共に、該ＡＴＲ１に、水蒸気６に所要量の酸素７を加えたものを水蒸気・酸素供給ライン５により供給するようにしてあり、ＡＴＲ１において上述したような天然ガス４のオートサーマルリフォーミング、すなわち、一部の天然ガス４の燃焼と、この燃焼熱を吸熱して行われる天然ガス４の水蒸気改質とを行わせて、天然ガス４が改質されて高温（１０００℃〜１２００℃）の合成ガス（水素と一酸化炭素の混合ガス）８が生成されるようにしてある。上記ＡＴＲ１で生成されて送出される高温の合成ガス８は、ＡＴＲ１の出口側に接続してある合成ガスライン９を通してボイラ（クエンチャー）１０に導き、ボイラ水１１と熱交換させて蒸気（飽和蒸気）１１ａ発生用の熱源として供することによりガス温度を３５０〜４００℃程度まで直ちに冷却するようにし、しかる後、上記冷却された合成ガス８を、ＧＴＬの後工程であるＦＴ合成用の原料として下流側の図示しないリアクターへ送るようにしてある（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００６】
なお、上記において、ＡＴＲ１で生成された合成ガス８をＧＴＬの後工程でリアクターへ送ってＦＴ合成を行なわせるには、高圧の合成ガス８が必要とされる。このために、上記ＡＴＲ１における天然ガス４の改質反応は高圧条件の下で行なわせることが望まれる。
【０００７】
そのため、上記ＡＴＲ１には天然ガス４を高圧状態で供給することが求められ、この場合、上記天然ガスライン２が、たとえば、パイプラインより供給される高圧の天然ガス４を導くようになっているときには、供給される高圧の天然ガス４をそのまま予熱器３を経てＡＴＲ１へ導入させるようにすればよいが、小さなガス田等より供給される天然ガス４のように、供給圧力が低い場合には、図３に二点鎖線で示す如く、上記天然ガス供給ライン２における予熱器３よりも上流側位置に、天然ガス４の加圧用コンプレッサ１２を設けて、該コンプレッサ１２を、所要の動力源、たとえば、蒸気タービン１３等の出力によって駆動させることより、上記低圧で供給される天然ガス４を上記天然ガス加圧用コンプレッサ１２にて所要圧力まで加圧してから予熱器３を経てＡＴＲ１へ供給させるようにすることが要求される。
【０００８】
ところで、炭化水素を水蒸気改質して水素及び一酸化炭素を含むガスとしてから、該ガスを用いて発電を行なう装置としては、図４に示す如きものが従来提案されている。これは、炭化水素１４を水蒸気１５と共にリフォーマ（改質器）１６へ供給して、該リフォーマ１６にて水蒸気改質することにより水素１８及び一酸化炭素１９を含む改質ガス１７とし、次に、該改質ガス１７をガス分離装置２０に導いて水素１８を分離するようにしてある。更に、コンプレッサ２２と発電機２３をガスタービン２４のタービン軸２５に同軸に連結して備え、且つ上記コンプレッサ２２とガスタービン２４との間に主燃焼器２６を備えてなるガスタービン発電機２１を構成し、該ガスタービン発電機２１の上記主燃焼器２６に、上記ガス分離装置２０で分離された水素１８を供給して、上記コンプレッサ２２より吸気２７を圧縮して供給される圧縮空気２７ａを用いて主燃焼器２６にて水素１８を燃焼させることにより高温高圧の燃焼ガス２８を発生させるようにしてある。又、該燃焼ガス２８を上記ガスタービン２４に導いて膨張させることにより該ガスタービン２４を駆動させて出力を取り出し、取り出された出力の一部を、タービン軸２５を介し上記コンプレッサ２２へ伝えて駆動用動力として用いると共に、残りをタービン軸２５に接続してある上記発電機２３の駆動用動力として用いることにより発電を行なわせるようにしてある。
【０００９】
又、上記ガス分離装置２０にて分離された水素１８のうちの一部は、副燃焼器２９へ供給して上記主燃焼器２６の酸素を多量に含んだ排ガス３０の一部を用いて燃焼させることにより、上記リフォーマ１６における炭化水素１４の水蒸気改質用の熱源として用いるようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。
【００１０】
なお、図４における符号３１は廃熱ボイラであり、該廃熱ボイラ３１にて上記主燃焼器２６の排ガス３０及びリフォーマ１６の排ガス３０ａをボイラ水３２と熱交換させることにより熱回収して、発生する水蒸気１５を、リフォーマ１６に水蒸気改質用として供給したり、ガスタービン発電機２１への蒸気噴射及びユーティリティ蒸気として用いることができるようにしてある。３３は主燃焼器２６の排ガス３０を副燃焼器２９へ供給するためのブロワ、３４はガス分離装置２０で水素１８と分離した一酸化炭素１９を、たとえば、メタノールと反応させて酢酸を生成させることで固定するガス固定装置である。
【００１１】
又、石炭を石炭ガス化ガスに転換した後、この石炭ガス化ガスを用いて発電を行う装置として、図５に示す如きものが従来提案されている。これは、燃料供給ライン３５よりガス化炉３６に供給される石炭等の燃料３７を、酸化剤供給ライン３８より供給される酸素又は空気等の酸化剤３９を用いて高温高圧下で部分燃焼させると共に還元して石炭ガス化ガス４０を生成させ、該石炭ガス化ガス４０を、粗ガスクーラ４２、ガス精製設備４３を順に備えたガスライン４１を通してガスタービン４４に導いて、該ガスタービン４４を駆動し、その出力によりタービン軸に同軸に接続してある発電機４５を駆動して発電を行なわせるようにしてある。
【００１２】
更に、上記ガスタービン４４の排気ライン４６上に設けた排ガスボイラ４７にて、ガスタービン４４の排ガスより熱回収して蒸気４８を発生させると共に過熱し、該蒸気４８を、蒸気ライン４９を通して上記粗ガスクーラ４２に導いて、ガス化炉３６よりガスライン４１を通して導かれる高温の石炭ガス化ガス４０と熱交換させることで更に過熱し、該過熱された蒸気４８ａを蒸気タービン５０に導いて該蒸気タービン５０を駆動し、その出力によりタービン軸に同軸に接続してある発電機５１を駆動して発電を行なわせるようにしてある（たとえば、特許文献２参照）。
【００１３】
なお、図５における符号５２は粗ガスクーラ４２にて過熱される蒸気４８ａに適宜水を供給して過熱温度を調節できるようにしてある温度調節器、５３は燃料量、蒸気流量及び蒸気タービン入口蒸気温度に応じて蒸気タービン入口蒸気温度が一定の割合以内で変化するよう上記温度調節器５２を制御する制御部である。
【００１４】
更に、燃料を触媒燃焼させて発電を行なう装置として、図６に示す如きものが従来提案されている。これは、コンプレッサ５４とガスタービン５６をタービン軸５７にて同軸に連結すると共に該タービン軸５７に発電機５５を接続し、且つ上記コンプレッサ５４の出口側とガスタービン５６の入口側との間に、触媒燃焼器５８を接続した構成として、上記コンプレッサ５４にて吸気５９を圧縮して圧縮空気５９ａを上記触媒燃焼器５８へ供給し、該触媒燃焼器５８にて、上記圧縮空気５９ａに一次燃料６０ａを供給して予燃焼させた後、二次燃料６０ｂを混合して触媒燃焼させ、この触媒燃焼により所要温度まで昇温される混合ガス６１を、上記ガスタービン５６に導いて膨張させることにより該ガスタービン５６を駆動させて出力を取り出すようにしてあり、取り出された出力の一部を、タービン軸５７を介し上記コンプレッサ５４へ伝えて駆動用動力として用いると共に、残りをタービン軸５７に接続してある発電機５５の駆動用動力として用いることにより発電を行なわせるようにしてある。
【００１５】
又、上記コンプレッサ５４にて吸気５９を圧縮して圧縮空気５９ａとして触媒燃焼器５８へ供給することに代えて、コンプレッサ５４の入口側に燃料予混合器（図示せず）を設けて、該燃料予混合器にて吸気と燃料を予め混合して燃料混合空気としてからコンプレッサ５４で加圧し、更に、該加圧された燃料混合空気をガスタービン５６の廃熱で所定温度まで昇温させてから触媒燃焼器５８へ供給するようにすることも提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
【００１６】
【特許文献１】特開平９−３０３１１５号公報
【特許文献２】特開平５−３３２１６０号公報
【特許文献３】特開平４−３３０３０４号公報
【非特許文献１】五十嵐、「天然ガスからの合成ガス製造プロセスの進歩と現状」、日本エネルギー学会誌、社団法人日本エネルギー学会、２００２年、第８１巻、第１１号、ｐ．９６８−９７２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところが、図３に実線及び二点鎖線で示した如き従来の合成ガス製造設備では、ＡＴＲ１で生成される合成ガス８より熱回収を図るボイラ１０と、供給される天然ガス４が低圧の場合に天然ガスライン２における予熱器３よりも上流側に設ける天然ガス加圧用コンプレッサ１２が別体の構成となっていて、効率があまり高くないというのが実状である。又、すべての機器が別機器での構成となっていることから、設備が大型化すると共に、コストが嵩むという問題もある。
【００１８】
なお、図４に示されたものでは、コンプレッサ２２及び発電機２３を駆動するための動力は、炭化水素１４をリフォーマ１６で改質してなる改質ガス１７中の水素１８を主燃焼器２６で燃焼させることで高温高圧の燃焼ガス２８を発生させ、この燃焼ガス２８をガスタービン２４で膨張させることにより得るようにしてあり、上記改質ガス１７中の水素１８は燃焼により消費されてしまうものであって、該水素１８の回収を図る考えは全く示されていない。したがって、ＧＴＬ技術におけるＦＴ合成の原料とするための水素と一酸化炭素とからなる合成ガスを製造するための装置にて、製造される合成ガスの量を減じることなくタービンを駆動して外部動力を取り出すことができるようにする構成が何ら示されるものではない。
【００１９】
又、図５に示されたものでは、ガス化炉３６で生成される石炭ガス化ガス４０を導くガスライン４１上に設けた粗ガスクーラ４２において蒸気４８を過熱させ、該過熱された蒸気４８を蒸気タービン５０に導いて膨張させることによる該蒸気タービン５０の出力により発電機５１を駆動できるようにした構成は示されているが、上記ガス化炉３６にて生成される石炭ガス化ガス４０は、ガスライン４１を通しガスタービン４４へ導いて、該ガスタービン４４を廻すために消費（膨張）させられるものである。しかも、上記粗ガスクーラ４２にて過熱させるための蒸気４８は、上記ガスタービン４４の廃熱を回収する排ガスボイラ４７で発生させるようにしてある。したがって、ＧＴＬ技術におけるＦＴ合成の原料とするために、水素と一酸化炭素とからなる合成ガスを高圧状態で回収することが望まれる合成ガスの製造装置にて、製造される合成ガスを高圧を保持したまま回収できるようにすると同時に、タービンを駆動して外部動力を取り出すことができるようにする構成が何ら示唆されるものではない。
【００２０】
更に、図６に示されたものは、触媒燃焼器で燃料６０ａ，６０ｂを触媒燃焼させて生成した混合ガスを直接ガスタービンに導いて、該ガスタービンで膨張させることにより該ガスタービンよりコンプレッサや発電機を駆動するための出力を取り出すようにしたものである。したがって、ＧＴＬ技術におけるＦＴ合成の原料とするための水素と一酸化炭素とからなる合成ガスを高圧のまま回収することが望まれている合成ガスの製造装置におけるＡＴＲから得られる高温高圧の合成ガスを、高圧を保持したまま回収を図ると同時に、タービンを駆動して外部動力を取り出すことができるようにする構成は何ら示唆されない。
【００２１】
そこで、本発明は、ＧＴＬ技術におけるＦＴ合成の原料とするのに適した高圧状態の合成ガスを回収できると共に、装置の小型化を図ることができ、更に、発電をも行なうことができる合成ガス製造兼発電装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明に対応して、メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にボイラを備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成とする。
【００２３】
又、上記請求項１に係る発明における蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラを順に経る閉ループを接続するようにした構成とする。
【００２４】
更に、請求項３に係る発明に対応して、メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にスーパヒータ及びボイラを上流側より順に備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を上記スーパヒータにて過熱してなる過熱蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成とする。
【００２５】
又、上記請求項３に係る発明における蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラと、スーパヒータを順に経る閉ループを接続するようにした構成とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の合成ガス製造兼発電装置によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にボイラを備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成としてあるので、コンプレッサにて加圧し、且つこの加圧に伴って昇温されたメタン含有ガスを原材料としてオートサーマルリフォーミングを行なうことで高温高圧の合成ガスを生成した後、ボイラにて上記合成ガスの保有する熱を冷却させて回収することができるため、ＧＴＬの後工程であるＦＴ合成の原料とするのに適した高圧状態を保持したままの合成ガスを得ることができる。
（２）又、装置構成を、吸気加圧用のコンプレッサとガスタービンとをタービン軸にて連結し、且つ上記コンプレッサとガスタービンとの間に燃料を燃焼させる燃焼器を設けてなる汎用のガスタービンの構成に似た構成とすることができることから、コンパクトなものとすることが可能になると共に、製造コストを抑えることが可能になる。
（３）更に、蒸気タービンの出力によりメタン含有ガスの加圧用のコンプレッサを直接駆動できることから、駆動効率を高いものとすることができる。
（４）メタン含有ガスは低圧で供給されるものでよいため、ガス田より発生する天然ガス等や、ごみ処理、排水処理等から発生する圧力を有していないメタンガス等を利用して合成ガスの製造を行なうことが可能になる。
（５）蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラを順に経る閉ループを接続するようにした構成とすることにより、蒸気タービンを駆動するためのボイラ水、蒸気を循環使用できる。このため、装置構成をよりコンパクトにすることが可能となる。
（６）メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にスーパヒータ及びボイラを上流側より順に備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を上記スーパヒータにて過熱してなる過熱蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成とすることにより、上記（１）（２）（３）（４）の効果に加えて、蒸気タービンの駆動効率を向上させることができることから、蒸気タービンの出力のうち、発電機の駆動に用いる出力を増加させることができて、発電能力を向上させることが可能になる。
（７）蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラと、スーパヒータを順に経る閉ループを接続するようにした構成とすることにより、蒸気タービンを駆動するためのボイラ水、蒸気、過熱蒸気を循環使用できる。このため、装置構成をよりコンパクトにすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は本発明の合成ガス製造兼発電装置の実施の一形態を示すもので、以下のような構成としてある。
【００２９】
すなわち、メタン含有ガス加圧用コンプレッサとしての天然ガス加圧用コンプレッサ６２と蒸気タービン６３をタービン軸６４にて同軸に連結し、更に、該タービン軸６４に発電機６５を同軸に接続する。上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２の入口側には、所要の供給源よりメタン含有ガスとしての天然ガス６６を導く天然ガスライン６７を接続し、上記コンプレッサ６２の出口側には、ＡＴＲ６８の入口側を、加圧天然ガスライン６９を介し接続する。更に、上記ＡＴＲ６８には、所要の供給源より水蒸気７０を導く水蒸気供給ライン７１と、所要の供給源より所要量の酸素７２を導く酸素供給ライン７３を接続する。これにより、上記ＡＴＲ６８に、天然ガスライン６７より供給される天然ガス６６を天然ガス加圧用コンプレッサ６２にて所要圧力、たとえば、２〜３ＭＰａ程度まで加圧させると同時に該加圧に伴って昇温された加圧天然ガス６６ａを、加圧天然ガスライン６９を経て供給して、水蒸気供給ライン７１より供給される水蒸気７０及び酸素供給ライン７３より供給される所要量の酸素７２を用いて図３に示した従来の合成ガス製造設備におけるＡＴＲ１と同様にオートサーマルリフォーミングを行なわせて合成ガス７４を生成させることができるようにしてある。
【００３０】
上記ＡＴＲ６８の出口側には、生成された合成ガス７４をＧＴＬの後工程であるＦＴ合成用の原料として下流側の図示しないリアクターへ導くようにしてあるボイラ７６を備えた合成ガスライン７５を接続する。
【００３１】
更に、上記蒸気タービン６３のタービン入口６３ａとタービン出口６３ｂとを、上記タービン出口６３ｂより排出される蒸気７８ａを所要の冷却媒体との熱交換により凝縮させてボイラ水７８に復水させるコンデンサ７９、該コンデンサ７９で凝縮されたボイラ水７８を昇圧するポンプ８０、上記合成ガスライン７５上に設けてあるボイラ７６を順に接続してなる閉ループ７７にて接続して、上記ポンプ８０により昇圧されたボイラ水７８を、上記ボイラ７６にてＡＴＲ６８より合成ガスライン７５を通して導かれる高温の合成ガス７４と熱交換させることにより飽和した蒸気７８ａを発生させ、該蒸気７８ａを上記蒸気タービン６３にタービン入口６３ａより導入させて膨張させることにより該蒸気タービン６３を駆動させて出力を取り出すようにする。この蒸気タービン６３より取り出される出力の一部を、タービン軸６４を介し上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２へ伝えて駆動用動力として用いると共に、残りをタービン軸６４に接続してある発電機６５の駆動用動力として用いることにより発電を行なわせることができるようにしてある。
【００３２】
上記本発明の合成ガス製造兼発電装置を用いて合成ガスの製造を行う場合は、上記閉ループ７７におけるポンプ８０を駆動させると共に、コンデンサ７９に所要の冷却媒体を供給するようにしておく。この状態において、天然ガスライン６７を通して天然ガス６６を供給すると、該天然ガス６６は天然ガス加圧用コンプレッサ６２にて所要圧力に加圧されると共に、該加圧に伴い昇温された加圧天然ガス６６ａとされてＡＴＲ６８へ供給される。該ＡＴＲ６８では、酸素供給ライン７３より供給される所要量の酸素７２により上記加圧天然ガス６６ａの部分燃焼が行われ、この燃焼熱により上記加圧天然ガス６６ａの水蒸気供給ライン７１より供給される水蒸気７０による水蒸気改質が行なわれることにより、水素と一酸化炭素とからなる合成ガス７４が高温高圧状態として生成される。
【００３３】
上記ＡＴＲ６８にて生成された合成ガス７４は、合成ガスライン７５を通して下流側へ導かれる際、ボイラ７６にて上記閉ループ７７を循環されるボイラ水７８と熱交換されて、３５０〜４００℃まで冷却される。このように、上記合成ガス７４は、高温状態からの冷却は行なわれるが、膨張されることはなく圧力は保持したままとなるため、上記所要温度まで冷却され且つ高圧状態を保持した合成ガス７４が合成ガスライン７５を通してＧＴＬの後工程であるＦＴ合成用の原料として下流側へ送られるようになる。
【００３４】
上記閉ループ７７のボイラ水７８は、上記ボイラ７６における合成ガス７４の冷却に供されることで蒸気７８ａとされる。該蒸気７８ａが蒸気タービン６３へタービン入口６３ａより導入されて膨張させられることにより上記蒸気タービン６３が駆動され、この蒸気タービン６３のタービン軸６４を介した出力により、上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２の駆動が行なわれると共に、発電機６５の駆動が行なわれて発電が行なわれるようになる。
【００３５】
上記蒸気タービン６３にて膨張された蒸気７８ａは、コンデンサ７９にて凝縮されてボイラ水７８へ復水された後、ポンプ８０にて昇圧されて、上記ボイラ７６へ循環供給される。
【００３６】
このように、上記本発明の合成ガス製造兼発電装置によれば、合成ガスライン７５上のボイラ７６では、合成ガス７４の保有する熱のみを回収するようにしてあることから、ＧＴＬの後工程であるＦＴ合成の原料とするのに適した高圧状態を保持したままの合成ガス７４を得ることができる。
【００３７】
又、上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２と、ＡＴＲ６８にて製造される合成ガス７４の保有する熱エネルギーを蒸気７８ａを介し間接的に回収して動力として取り出すための蒸気タービン６３とをタービン軸６４にて連結すると共に、上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２の出口側と蒸気タービン６３の入口側との間に、天然ガス６６を部分燃焼させるＡＴＲ６８と、ボイラ７６を備えた閉ループ７７を設けてなる構成として、汎用のガスタービンの構成、すなわち、吸気加圧用のコンプレッサとガスタービンとをタービン軸にて連結し、且つ上記コンプレッサの出口側とガスタービンの入口側との間に燃料を燃焼させる燃焼器を設けた構成に似た構成とすることができることから、装置構成をコンパクトなものとすることが可能になると共に、製造コストを抑えることが可能になる。
【００３８】
更に、上記蒸気タービン６３の出力により天然ガス加圧用コンプレッサ６２を直接駆動できることから、駆動効率を高いものとすることができる。
【００３９】
上記本発明の合成ガス製造兼発電装置に供給する天然ガス６６は、供給圧力が低圧でよいため、ガス田より発生する天然ガス６６等を天然ガスライン６７より直接供給することができ、上記した装置構成をコンパクトなものとすることができる効果と相俟って、中小のガス田等へ搬送して使用することが可能な小型の合成ガス製造兼発電装置としての利用も期待できる。したがって、パイプラインの設置がコスト的に見合わないような中小のガス田の天然ガス６６にＧＴＬ技術を適用して有効利用を図ることが可能になる。
【００４０】
又、上記天然ガス６６に代えて、将来展開されると考えられているごみ処理、排水処理等から発生する圧力を有していないメタンガス等をコンプレッサにて加圧した後、ＡＴＲ６８へ供給して合成ガスの製造を行なわせることも可能になる。
【００４１】
次に、図２は本発明の実施の他の形態を示すもので、図１に示したと同様の構成において、ＡＴＲ６８の出口側に接続してある合成ガスライン７５におけるボイラ７６よりも上流側（ＡＴＲ６８側）位置に、スーパヒータ８１を設けると共に、該スーパヒータ８１を、合成ガス７４よりボイラ水７８にて熱回収を図るための閉ループ７７におけるボイラ７６と、蒸気タービン６３のタービン入口６３ａとの間に組み込むよう接続してなる構成として、上記ボイラ７６における合成ガス７４の冷却により発生した飽和蒸気７８ａを、上記スーパヒータ８１に導いて、上記ＡＴＲ６８で合成され且つ上記ボイラ７６で冷却される以前の高温状態の合成ガス７４と熱交換させることで過熱し、この過熱により生じる過熱蒸気７８ｂを上記蒸気タービン６３のタービン入口６３ａへ供給できるようにしたものである。
【００４２】
その他の構成は図１に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある。
【００４３】
本実施の形態によれば、図１に示したと同様の効果に加えて、スーパヒータ８１にて過熱した過熱蒸気７８ｂにより蒸気タービン６３を駆動させて出力を取り出すことで、該蒸気タービン６３の駆動効率を向上させることができることから、蒸気タービン６３の出力のうち、発電機６５の駆動に用いる出力を増加させることができて、発電能力を向上させることが可能になる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、合成ガス７４の製造に用いるメタン含有ガスとしては天然ガス６６を用いるものとして説明したが、メタンを含むガスであればいかなるメタン含有ガスを用いるようにしてもよい。水蒸気７２は水蒸気供給ライン７１を通してＡＴＲ６８へ直接供給するものとして示したが、天然ガス加圧用コンプレッサ６２よりも上流側の天然ガスライン６７を流通する天然ガス６６や、上記コンプレッサ６２にて加圧された加圧天然ガスライン６９中を流れる加圧天然ガス６６ａへ添加、混合して、該加圧された天然ガス６６ａと水蒸気７２を一緒にＡＴＲ６８へ供給させるようにしてもよく、あるいは、所要量の酸素７２と一緒に水蒸気７０をＡＴＲ６８へ供給させるようにしてもよい。
【００４５】
従来使用されているＡＴＲは底部のみに改質触媒を入れてあるが、該改質触媒に達する以前に天然ガスは合成ガスへ９０数％転換されて平衡に達しており、上記改質触媒は残る数％の天然ガスを合成ガスへ転換させる反応を進行させるために用いられている。したがって、本発明の合成ガス製造兼発電装置の構成要素であるＡＴＲ６８としては、回収する合成ガス７４に所望される転換率に応じて、内部に改質触媒を入れたもの、あるいは、入れていないものを適宜選択して使用してよい。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の合成ガス製造兼発電装置の実施の一形態を示す概要図である。
【図２】本発明の実施の他の形態を示す概要図である。
【図３】従来提案されているＡＴＲを用いた合成ガス製造設備を示す概要図である。
【図４】従来提案されている炭化水素を水蒸気改質して水素及び一酸化炭素を含むガスとしてから、該ガスを用いて発電を行なう装置の一例を示す概要図である。
【図５】従来提案されている石炭を石炭ガス化ガスに転換した後、石炭ガス化ガスを用いて発電を行う装置の一例を示す概要図である。
【図６】従来提案されている燃料を触媒燃焼させて発電を行なう装置の一例を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４７】
６２ 天然ガス加圧用コンプレッサ（コンプレッサ）
６３ 蒸気タービン
６４ タービン軸
６５ 発電機
６６ 天然ガス（メタン含有ガス）
６８ ＡＴＲ
７４ 合成ガス
７５ 合成ガスライン
７６ ボイラ
７７ 閉ループ
７８ ボイラ水
７８ａ 蒸気
７８ｂ 過熱蒸気
７９ コンデンサ
８０ ポンプ
８１ スーパヒータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス等のメタンを部分酸化改質してＧＴＬ技術における原料とするための合成ガスを製造すると共に発電を行なう合成ガス製造兼発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスはメタンを主成分としており、常温では気体である。このため、天然ガスを取り扱う場合、従来はパイプラインで輸送したり、あるいは、天然ガスを冷却し液化させてＬＮＧとすることにより、液体の状態で輸送、貯蔵等を行なうようにしている。
【０００３】
ところが、上記天然ガスをＬＮＧとするためには−１６３℃という極低温にまで冷却する必要があり、この冷却に莫大なエネルギーを必要とすると共に、極低温状態を保持した状態で輸送や貯蔵を行うための特殊な輸送設備、貯蔵設備が必要になる。更に、所要の需要先へ燃料として供給する場合には、ＬＮＧを気化（ガス化）させて再び天然ガスとするためのガス化設備も必要になる。そのために、中小規模のガス田や、パイプライン設備の整っていないガス田の天然ガスを利用することは難しいのが現状である。
【０００４】
そこで、近年では、天然ガスを原料として、ガソリン、灯油、軽油の如き常温で輸送可能な液体燃料に化学的に変換するＧＴＬ（Gas To Liquids）技術が開発されてきている。かかるＧＴＬ技術としては、天然ガス中のメタンを、水素と一酸化炭素とからなる合成ガス（Syngas）に一旦改質（転換）した後、該合成ガスを原料としてフィッシャー・トロプシュ反応（ＦＴ反応）により水素と一酸化炭素から所望の炭化水素を製造（合成）する手法が広く知られている。又、上記合成ガスの製造方法の一つとしては、自己熱改質型のオートサーマルリフォーミングが知られている。これは、反応器であるＡＴＲ（Auto Thermal Reformer）（部分酸化改質炉）に、天然ガス及び水蒸気に所要量の酸素を加えて供給して、該酸素を用いて天然ガスの一部を燃焼（酸化）させ、この燃焼により発生する熱により、吸熱反応であるメタンの水蒸気改質を行わせるようにするものである。
【０００５】
従来、天然ガスを液体燃料に化学的に変換させるＧＴＬ技術の過程で用いられている上記ＡＴＲを備えた形式の合成ガス製造設備は、図３に概略を示す如く、ＡＴＲ１の入口側に、予熱器３を備えた天然ガスライン２を接続して、図示しない天然ガス供給部より上記天然ガスライン２を通して供給される天然ガス４を、予熱器３で予熱した後、ＡＴＲ１へ供給すると共に、該ＡＴＲ１に、水蒸気６に所要量の酸素７を加えたものを水蒸気・酸素供給ライン５により供給するようにしてあり、ＡＴＲ１において上述したような天然ガス４のオートサーマルリフォーミング、すなわち、一部の天然ガス４の燃焼と、この燃焼熱を吸熱して行われる天然ガス４の水蒸気改質とを行わせて、天然ガス４が改質されて高温（１０００℃〜１２００℃）の合成ガス（水素と一酸化炭素の混合ガス）８が生成されるようにしてある。上記ＡＴＲ１で生成されて送出される高温の合成ガス８は、ＡＴＲ１の出口側に接続してある合成ガスライン９を通してボイラ（クエンチャー）１０に導き、ボイラ水１１と熱交換させて蒸気（飽和蒸気）１１ａ発生用の熱源として供することによりガス温度を３５０〜４００℃程度まで直ちに冷却するようにし、しかる後、上記冷却された合成ガス８を、ＧＴＬの後工程であるＦＴ合成用の原料として下流側の図示しないリアクターへ送るようにしてある（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００６】
なお、上記において、ＡＴＲ１で生成された合成ガス８をＧＴＬの後工程でリアクターへ送ってＦＴ合成を行なわせるには、高圧の合成ガス８が必要とされる。このために、上記ＡＴＲ１における天然ガス４の改質反応は高圧条件の下で行なわせることが望まれる。
【０００７】
そのため、上記ＡＴＲ１には天然ガス４を高圧状態で供給することが求められ、この場合、上記天然ガスライン２が、たとえば、パイプラインより供給される高圧の天然ガス４を導くようになっているときには、供給される高圧の天然ガス４をそのまま予熱器３を経てＡＴＲ１へ導入させるようにすればよいが、小さなガス田等より供給される天然ガス４のように、供給圧力が低い場合には、図３に二点鎖線で示す如く、上記天然ガス供給ライン２における予熱器３よりも上流側位置に、天然ガス４の加圧用コンプレッサ１２を設けて、該コンプレッサ１２を、所要の動力源、たとえば、蒸気タービン１３等の出力によって駆動させることより、上記低圧で供給される天然ガス４を上記天然ガス加圧用コンプレッサ１２にて所要圧力まで加圧してから予熱器３を経てＡＴＲ１へ供給させるようにすることが要求される。
【０００８】
ところで、炭化水素を水蒸気改質して水素及び一酸化炭素を含むガスとしてから、該ガスを用いて発電を行なう装置としては、図４に示す如きものが従来提案されている。これは、炭化水素１４を水蒸気１５と共にリフォーマ（改質器）１６へ供給して、該リフォーマ１６にて水蒸気改質することにより水素１８及び一酸化炭素１９を含む改質ガス１７とし、次に、該改質ガス１７をガス分離装置２０に導いて水素１８を分離するようにしてある。更に、コンプレッサ２２と発電機２３をガスタービン２４のタービン軸２５に同軸に連結して備え、且つ上記コンプレッサ２２とガスタービン２４との間に主燃焼器２６を備えてなるガスタービン発電機２１を構成し、該ガスタービン発電機２１の上記主燃焼器２６に、上記ガス分離装置２０で分離された水素１８を供給して、上記コンプレッサ２２より吸気２７を圧縮して供給される圧縮空気２７ａを用いて主燃焼器２６にて水素１８を燃焼させることにより高温高圧の燃焼ガス２８を発生させるようにしてある。又、該燃焼ガス２８を上記ガスタービン２４に導いて膨張させることにより該ガスタービン２４を駆動させて出力を取り出し、取り出された出力の一部を、タービン軸２５を介し上記コンプレッサ２２へ伝えて駆動用動力として用いると共に、残りをタービン軸２５に接続してある上記発電機２３の駆動用動力として用いることにより発電を行なわせるようにしてある。
【０００９】
又、上記ガス分離装置２０にて分離された水素１８のうちの一部は、副燃焼器２９へ供給して上記主燃焼器２６の酸素を多量に含んだ排ガス３０の一部を用いて燃焼させることにより、上記リフォーマ１６における炭化水素１４の水蒸気改質用の熱源として用いるようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。
【００１０】
なお、図４における符号３１は廃熱ボイラであり、該廃熱ボイラ３１にて上記主燃焼器２６の排ガス３０及びリフォーマ１６の排ガス３０ａをボイラ水３２と熱交換させることにより熱回収して、発生する水蒸気１５を、リフォーマ１６に水蒸気改質用として供給したり、ガスタービン発電機２１への蒸気噴射及びユーティリティ蒸気として用いることができるようにしてある。３３は主燃焼器２６の排ガス３０を副燃焼器２９へ供給するためのブロワ、３４はガス分離装置２０で水素１８と分離した一酸化炭素１９を、たとえば、メタノールと反応させて酢酸を生成させることで固定するガス固定装置である。
【００１１】
又、石炭を石炭ガス化ガスに転換した後、この石炭ガス化ガスを用いて発電を行う装置として、図５に示す如きものが従来提案されている。これは、燃料供給ライン３５よりガス化炉３６に供給される石炭等の燃料３７を、酸化剤供給ライン３８より供給される酸素又は空気等の酸化剤３９を用いて高温高圧下で部分燃焼させると共に還元して石炭ガス化ガス４０を生成させ、該石炭ガス化ガス４０を、粗ガスクーラ４２、ガス精製設備４３を順に備えたガスライン４１を通してガスタービン４４に導いて、該ガスタービン４４を駆動し、その出力によりタービン軸に同軸に接続してある発電機４５を駆動して発電を行なわせるようにしてある。
【００１２】
更に、上記ガスタービン４４の排気ライン４６上に設けた排ガスボイラ４７にて、ガスタービン４４の排ガスより熱回収して蒸気４８を発生させると共に過熱し、該蒸気４８を、蒸気ライン４９を通して上記粗ガスクーラ４２に導いて、ガス化炉３６よりガスライン４１を通して導かれる高温の石炭ガス化ガス４０と熱交換させることで更に過熱し、該過熱された蒸気４８ａを蒸気タービン５０に導いて該蒸気タービン５０を駆動し、その出力によりタービン軸に同軸に接続してある発電機５１を駆動して発電を行なわせるようにしてある（たとえば、特許文献２参照）。
【００１３】
なお、図５における符号５２は粗ガスクーラ４２にて過熱される蒸気４８ａに適宜水を供給して過熱温度を調節できるようにしてある温度調節器、５３は燃料量、蒸気流量及び蒸気タービン入口蒸気温度に応じて蒸気タービン入口蒸気温度が一定の割合以内で変化するよう上記温度調節器５２を制御する制御部である。
【００１４】
更に、燃料を触媒燃焼させて発電を行なう装置として、図６に示す如きものが従来提案されている。これは、コンプレッサ５４とガスタービン５６をタービン軸５７にて同軸に連結すると共に該タービン軸５７に発電機５５を接続し、且つ上記コンプレッサ５４の出口側とガスタービン５６の入口側との間に、触媒燃焼器５８を接続した構成として、上記コンプレッサ５４にて吸気５９を圧縮して圧縮空気５９ａを上記触媒燃焼器５８へ供給し、該触媒燃焼器５８にて、上記圧縮空気５９ａに一次燃料６０ａを供給して予燃焼させた後、二次燃料６０ｂを混合して触媒燃焼させ、この触媒燃焼により所要温度まで昇温される混合ガス６１を、上記ガスタービン５６に導いて膨張させることにより該ガスタービン５６を駆動させて出力を取り出すようにしてあり、取り出された出力の一部を、タービン軸５７を介し上記コンプレッサ５４へ伝えて駆動用動力として用いると共に、残りをタービン軸５７に接続してある発電機５５の駆動用動力として用いることにより発電を行なわせるようにしてある。
【００１５】
又、上記コンプレッサ５４にて吸気５９を圧縮して圧縮空気５９ａとして触媒燃焼器５８へ供給することに代えて、コンプレッサ５４の入口側に燃料予混合器（図示せず）を設けて、該燃料予混合器にて吸気と燃料を予め混合して燃料混合空気としてからコンプレッサ５４で加圧し、更に、該加圧された燃料混合空気をガスタービン５６の廃熱で所定温度まで昇温させてから触媒燃焼器５８へ供給するようにすることも提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
【００１６】
【特許文献１】特開平９−３０３１１５号公報
【特許文献２】特開平５−３３２１６０号公報
【特許文献３】特開平４−３３０３０４号公報
【非特許文献１】五十嵐、「天然ガスからの合成ガス製造プロセスの進歩と現状」、日本エネルギー学会誌、社団法人日本エネルギー学会、２００２年、第８１巻、第１１号、ｐ．９６８−９７２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところが、図３に実線及び二点鎖線で示した如き従来の合成ガス製造設備では、ＡＴＲ１で生成される合成ガス８より熱回収を図るボイラ１０と、供給される天然ガス４が低圧の場合に天然ガスライン２における予熱器３よりも上流側に設ける天然ガス加圧用コンプレッサ１２が別体の構成となっていて、効率があまり高くないというのが実状である。又、すべての機器が別機器での構成となっていることから、設備が大型化すると共に、コストが嵩むという問題もある。
【００１８】
なお、図４に示されたものでは、コンプレッサ２２及び発電機２３を駆動するための動力は、炭化水素１４をリフォーマ１６で改質してなる改質ガス１７中の水素１８を主燃焼器２６で燃焼させることで高温高圧の燃焼ガス２８を発生させ、この燃焼ガス２８をガスタービン２４で膨張させることにより得るようにしてあり、上記改質ガス１７中の水素１８は燃焼により消費されてしまうものであって、該水素１８の回収を図る考えは全く示されていない。したがって、ＧＴＬ技術におけるＦＴ合成の原料とするための水素と一酸化炭素とからなる合成ガスを製造するための装置にて、製造される合成ガスの量を減じることなくタービンを駆動して外部動力を取り出すことができるようにする構成が何ら示されるものではない。
【００１９】
又、図５に示されたものでは、ガス化炉３６で生成される石炭ガス化ガス４０を導くガスライン４１上に設けた粗ガスクーラ４２において蒸気４８を過熱させ、該過熱された蒸気４８を蒸気タービン５０に導いて膨張させることによる該蒸気タービン５０の出力により発電機５１を駆動できるようにした構成は示されているが、上記ガス化炉３６にて生成される石炭ガス化ガス４０は、ガスライン４１を通しガスタービン４４へ導いて、該ガスタービン４４を廻すために消費（膨張）させられるものである。しかも、上記粗ガスクーラ４２にて過熱させるための蒸気４８は、上記ガスタービン４４の廃熱を回収する排ガスボイラ４７で発生させるようにしてある。したがって、ＧＴＬ技術におけるＦＴ合成の原料とするために、水素と一酸化炭素とからなる合成ガスを高圧状態で回収することが望まれる合成ガスの製造装置にて、製造される合成ガスを高圧を保持したまま回収できるようにすると同時に、タービンを駆動して外部動力を取り出すことができるようにする構成が何ら示唆されるものではない。
【００２０】
更に、図６に示されたものは、触媒燃焼器で燃料６０ａ，６０ｂを触媒燃焼させて生成した混合ガスを直接ガスタービンに導いて、該ガスタービンで膨張させることにより該ガスタービンよりコンプレッサや発電機を駆動するための出力を取り出すようにしたものである。したがって、ＧＴＬ技術におけるＦＴ合成の原料とするための水素と一酸化炭素とからなる合成ガスを高圧のまま回収することが望まれている合成ガスの製造装置におけるＡＴＲから得られる高温高圧の合成ガスを、高圧を保持したまま回収を図ると同時に、タービンを駆動して外部動力を取り出すことができるようにする構成は何ら示唆されない。
【００２１】
そこで、本発明は、ＧＴＬ技術におけるＦＴ合成の原料とするのに適した高圧状態の合成ガスを回収できると共に、装置の小型化を図ることができ、更に、発電をも行なうことができる合成ガス製造兼発電装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明に対応して、メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にボイラを備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成とする。
【００２３】
又、上記請求項１に係る発明における蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラを順に経る閉ループを接続するようにした構成とする。
【００２４】
更に、請求項３に係る発明に対応して、メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にスーパヒータ及びボイラを上流側より順に備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を上記スーパヒータにて過熱してなる過熱蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成とする。
【００２５】
又、上記請求項３に係る発明における蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラと、スーパヒータを順に経る閉ループを接続するようにした構成とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の合成ガス製造兼発電装置によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にボイラを備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成としてあるので、コンプレッサにて加圧し、且つこの加圧に伴って昇温されたメタン含有ガスを原材料としてオートサーマルリフォーミングを行なうことで高温高圧の合成ガスを生成した後、ボイラにて上記合成ガスの保有する熱を冷却させて回収することができるため、ＧＴＬの後工程であるＦＴ合成の原料とするのに適した高圧状態を保持したままの合成ガスを得ることができる。
（２）又、装置構成を、吸気加圧用のコンプレッサとガスタービンとをタービン軸にて連結し、且つ上記コンプレッサとガスタービンとの間に燃料を燃焼させる燃焼器を設けてなる汎用のガスタービンの構成に似た構成とすることができることから、コンパクトなものとすることが可能になると共に、製造コストを抑えることが可能になる。
（３）更に、蒸気タービンの出力によりメタン含有ガスの加圧用のコンプレッサを直接駆動できることから、駆動効率を高いものとすることができる。
（４）メタン含有ガスは低圧で供給されるものでよいため、ガス田より発生する天然ガス等や、ごみ処理、排水処理等から発生する圧力を有していないメタンガス等を利用して合成ガスの製造を行なうことが可能になる。
（５）蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラを順に経る閉ループを接続するようにした構成とすることにより、蒸気タービンを駆動するためのボイラ水、蒸気を循環使用できる。このため、装置構成をよりコンパクトにすることが可能となる。
（６）メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にスーパヒータ及びボイラを上流側より順に備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を上記スーパヒータにて過熱してなる過熱蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成とすることにより、上記（１）（２）（３）（４）の効果に加えて、蒸気タービンの駆動効率を向上させることができることから、蒸気タービンの出力のうち、発電機の駆動に用いる出力を増加させることができて、発電能力を向上させることが可能になる。
（７）蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラと、スーパヒータを順に経る閉ループを接続するようにした構成とすることにより、蒸気タービンを駆動するためのボイラ水、蒸気、過熱蒸気を循環使用できる。このため、装置構成をよりコンパクトにすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は本発明の合成ガス製造兼発電装置の実施の一形態を示すもので、以下のような構成としてある。
【００２９】
すなわち、メタン含有ガス加圧用コンプレッサとしての天然ガス加圧用コンプレッサ６２と蒸気タービン６３をタービン軸６４にて同軸に連結し、更に、該タービン軸６４に発電機６５を同軸に接続する。上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２の入口側には、所要の供給源よりメタン含有ガスとしての天然ガス６６を導く天然ガスライン６７を接続し、上記コンプレッサ６２の出口側には、ＡＴＲ６８の入口側を、加圧天然ガスライン６９を介し接続する。更に、上記ＡＴＲ６８には、所要の供給源より水蒸気７０を導く水蒸気供給ライン７１と、所要の供給源より所要量の酸素７２を導く酸素供給ライン７３を接続する。これにより、上記ＡＴＲ６８に、天然ガスライン６７より供給される天然ガス６６を天然ガス加圧用コンプレッサ６２にて所要圧力、たとえば、２〜３ＭＰａ程度まで加圧させると同時に該加圧に伴って昇温された加圧天然ガス６６ａを、加圧天然ガスライン６９を経て供給して、水蒸気供給ライン７１より供給される水蒸気７０及び酸素供給ライン７３より供給される所要量の酸素７２を用いて図３に示した従来の合成ガス製造設備におけるＡＴＲ１と同様にオートサーマルリフォーミングを行なわせて合成ガス７４を生成させることができるようにしてある。
【００３０】
上記ＡＴＲ６８の出口側には、生成された合成ガス７４をＧＴＬの後工程であるＦＴ合成用の原料として下流側の図示しないリアクターへ導くようにしてあるボイラ７６を備えた合成ガスライン７５を接続する。
【００３１】
更に、上記蒸気タービン６３のタービン入口６３ａとタービン出口６３ｂとを、上記タービン出口６３ｂより排出される蒸気７８ａを所要の冷却媒体との熱交換により凝縮させてボイラ水７８に復水させるコンデンサ７９、該コンデンサ７９で凝縮されたボイラ水７８を昇圧するポンプ８０、上記合成ガスライン７５上に設けてあるボイラ７６を順に接続してなる閉ループ７７にて接続して、上記ポンプ８０により昇圧されたボイラ水７８を、上記ボイラ７６にてＡＴＲ６８より合成ガスライン７５を通して導かれる高温の合成ガス７４と熱交換させることにより飽和した蒸気７８ａを発生させ、該蒸気７８ａを上記蒸気タービン６３にタービン入口６３ａより導入させて膨張させることにより該蒸気タービン６３を駆動させて出力を取り出すようにする。この蒸気タービン６３より取り出される出力の一部を、タービン軸６４を介し上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２へ伝えて駆動用動力として用いると共に、残りをタービン軸６４に接続してある発電機６５の駆動用動力として用いることにより発電を行なわせることができるようにしてある。
【００３２】
上記本発明の合成ガス製造兼発電装置を用いて合成ガスの製造を行う場合は、上記閉ループ７７におけるポンプ８０を駆動させると共に、コンデンサ７９に所要の冷却媒体を供給するようにしておく。この状態において、天然ガスライン６７を通して天然ガス６６を供給すると、該天然ガス６６は天然ガス加圧用コンプレッサ６２にて所要圧力に加圧されると共に、該加圧に伴い昇温された加圧天然ガス６６ａとされてＡＴＲ６８へ供給される。該ＡＴＲ６８では、酸素供給ライン７３より供給される所要量の酸素７２により上記加圧天然ガス６６ａの部分燃焼が行われ、この燃焼熱により上記加圧天然ガス６６ａの水蒸気供給ライン７１より供給される水蒸気７０による水蒸気改質が行なわれることにより、水素と一酸化炭素とからなる合成ガス７４が高温高圧状態として生成される。
【００３３】
上記ＡＴＲ６８にて生成された合成ガス７４は、合成ガスライン７５を通して下流側へ導かれる際、ボイラ７６にて上記閉ループ７７を循環されるボイラ水７８と熱交換されて、３５０〜４００℃まで冷却される。このように、上記合成ガス７４は、高温状態からの冷却は行なわれるが、膨張されることはなく圧力は保持したままとなるため、上記所要温度まで冷却され且つ高圧状態を保持した合成ガス７４が合成ガスライン７５を通してＧＴＬの後工程であるＦＴ合成用の原料として下流側へ送られるようになる。
【００３４】
上記閉ループ７７のボイラ水７８は、上記ボイラ７６における合成ガス７４の冷却に供されることで蒸気７８ａとされる。該蒸気７８ａが蒸気タービン６３へタービン入口６３ａより導入されて膨張させられることにより上記蒸気タービン６３が駆動され、この蒸気タービン６３のタービン軸６４を介した出力により、上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２の駆動が行なわれると共に、発電機６５の駆動が行なわれて発電が行なわれるようになる。
【００３５】
上記蒸気タービン６３にて膨張された蒸気７８ａは、コンデンサ７９にて凝縮されてボイラ水７８へ復水された後、ポンプ８０にて昇圧されて、上記ボイラ７６へ循環供給される。
【００３６】
このように、上記本発明の合成ガス製造兼発電装置によれば、合成ガスライン７５上のボイラ７６では、合成ガス７４の保有する熱のみを回収するようにしてあることから、ＧＴＬの後工程であるＦＴ合成の原料とするのに適した高圧状態を保持したままの合成ガス７４を得ることができる。
【００３７】
又、上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２と、ＡＴＲ６８にて製造される合成ガス７４の保有する熱エネルギーを蒸気７８ａを介し間接的に回収して動力として取り出すための蒸気タービン６３とをタービン軸６４にて連結すると共に、上記天然ガス加圧用コンプレッサ６２の出口側と蒸気タービン６３の入口側との間に、天然ガス６６を部分燃焼させるＡＴＲ６８と、ボイラ７６を備えた閉ループ７７を設けてなる構成として、汎用のガスタービンの構成、すなわち、吸気加圧用のコンプレッサとガスタービンとをタービン軸にて連結し、且つ上記コンプレッサの出口側とガスタービンの入口側との間に燃料を燃焼させる燃焼器を設けた構成に似た構成とすることができることから、装置構成をコンパクトなものとすることが可能になると共に、製造コストを抑えることが可能になる。
【００３８】
更に、上記蒸気タービン６３の出力により天然ガス加圧用コンプレッサ６２を直接駆動できることから、駆動効率を高いものとすることができる。
【００３９】
上記本発明の合成ガス製造兼発電装置に供給する天然ガス６６は、供給圧力が低圧でよいため、ガス田より発生する天然ガス６６等を天然ガスライン６７より直接供給することができ、上記した装置構成をコンパクトなものとすることができる効果と相俟って、中小のガス田等へ搬送して使用することが可能な小型の合成ガス製造兼発電装置としての利用も期待できる。したがって、パイプラインの設置がコスト的に見合わないような中小のガス田の天然ガス６６にＧＴＬ技術を適用して有効利用を図ることが可能になる。
【００４０】
又、上記天然ガス６６に代えて、将来展開されると考えられているごみ処理、排水処理等から発生する圧力を有していないメタンガス等をコンプレッサにて加圧した後、ＡＴＲ６８へ供給して合成ガスの製造を行なわせることも可能になる。
【００４１】
次に、図２は本発明の実施の他の形態を示すもので、図１に示したと同様の構成において、ＡＴＲ６８の出口側に接続してある合成ガスライン７５におけるボイラ７６よりも上流側（ＡＴＲ６８側）位置に、スーパヒータ８１を設けると共に、該スーパヒータ８１を、合成ガス７４よりボイラ水７８にて熱回収を図るための閉ループ７７におけるボイラ７６と、蒸気タービン６３のタービン入口６３ａとの間に組み込むよう接続してなる構成として、上記ボイラ７６における合成ガス７４の冷却により発生した飽和蒸気７８ａを、上記スーパヒータ８１に導いて、上記ＡＴＲ６８で合成され且つ上記ボイラ７６で冷却される以前の高温状態の合成ガス７４と熱交換させることで過熱し、この過熱により生じる過熱蒸気７８ｂを上記蒸気タービン６３のタービン入口６３ａへ供給できるようにしたものである。
【００４２】
その他の構成は図１に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある。
【００４３】
本実施の形態によれば、図１に示したと同様の効果に加えて、スーパヒータ８１にて過熱した過熱蒸気７８ｂにより蒸気タービン６３を駆動させて出力を取り出すことで、該蒸気タービン６３の駆動効率を向上させることができることから、蒸気タービン６３の出力のうち、発電機６５の駆動に用いる出力を増加させることができて、発電能力を向上させることが可能になる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、合成ガス７４の製造に用いるメタン含有ガスとしては天然ガス６６を用いるものとして説明したが、メタンを含むガスであればいかなるメタン含有ガスを用いるようにしてもよい。水蒸気７２は水蒸気供給ライン７１を通してＡＴＲ６８へ直接供給するものとして示したが、天然ガス加圧用コンプレッサ６２よりも上流側の天然ガスライン６７を流通する天然ガス６６や、上記コンプレッサ６２にて加圧された加圧天然ガスライン６９中を流れる加圧天然ガス６６ａへ添加、混合して、該加圧された天然ガス６６ａと水蒸気７２を一緒にＡＴＲ６８へ供給させるようにしてもよく、あるいは、所要量の酸素７２と一緒に水蒸気７０をＡＴＲ６８へ供給させるようにしてもよい。
【００４５】
従来使用されているＡＴＲは底部のみに改質触媒を入れてあるが、該改質触媒に達する以前に天然ガスは合成ガスへ９０数％転換されて平衡に達しており、上記改質触媒は残る数％の天然ガスを合成ガスへ転換させる反応を進行させるために用いられている。したがって、本発明の合成ガス製造兼発電装置の構成要素であるＡＴＲ６８としては、回収する合成ガス７４に所望される転換率に応じて、内部に改質触媒を入れたもの、あるいは、入れていないものを適宜選択して使用してよい。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の合成ガス製造兼発電装置の実施の一形態を示す概要図である。
【図２】本発明の実施の他の形態を示す概要図である。
【図３】従来提案されているＡＴＲを用いた合成ガス製造設備を示す概要図である。
【図４】従来提案されている炭化水素を水蒸気改質して水素及び一酸化炭素を含むガスとしてから、該ガスを用いて発電を行なう装置の一例を示す概要図である。
【図５】従来提案されている石炭を石炭ガス化ガスに転換した後、石炭ガス化ガスを用いて発電を行う装置の一例を示す概要図である。
【図６】従来提案されている燃料を触媒燃焼させて発電を行なう装置の一例を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４７】
６２ 天然ガス加圧用コンプレッサ（コンプレッサ）
６３ 蒸気タービン
６４ タービン軸
６５ 発電機
６６ 天然ガス（メタン含有ガス）
６８ ＡＴＲ
７４ 合成ガス
７５ 合成ガスライン
７６ ボイラ
７７ 閉ループ
７８ ボイラ水
７８ａ 蒸気
７８ｂ 過熱蒸気
７９ コンデンサ
８０ ポンプ
８１ スーパヒータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にボイラを備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成を有することを特徴とする合成ガス製造兼発電装置。
【請求項２】
蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラを順に経る閉ループを接続するようにした請求項１記載の合成ガス製造兼発電装置。
【請求項３】
メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にスーパヒータ及びボイラを上流側より順に備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を上記スーパヒータにて過熱してなる過熱蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成を有することを特徴とする合成ガス製造兼発電装置。
【請求項４】
蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラと、スーパヒータを順に経る閉ループを接続するようにした請求項３記載の合成ガス製造兼発電装置。
【請求項１】
メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にボイラを備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成を有することを特徴とする合成ガス製造兼発電装置。
【請求項２】
蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラを順に経る閉ループを接続するようにした請求項１記載の合成ガス製造兼発電装置。
【請求項３】
メタン含有ガスの加圧を行なうコンプレッサと発電機を蒸気タービンのタービン軸上に同軸に接続し、上記コンプレッサの出口側にＡＴＲを設け、該ＡＴＲの出口側にスーパヒータ及びボイラを上流側より順に備えた合成ガスラインを接続して、上記ボイラにてＡＴＲより送出される合成ガスより熱回収して発生される蒸気を上記スーパヒータにて過熱してなる過熱蒸気を、上記蒸気タービンに導いて駆動させることにより上記コンプレッサ及び発電機を駆動できるようにしてなる構成を有することを特徴とする合成ガス製造兼発電装置。
【請求項４】
蒸気タービンの入口側と出口側に、該蒸気タービンの出口側より排出される蒸気を復水させるコンデンサと、復水されたボイラ水を昇圧するポンプと、合成ガスライン上のボイラと、スーパヒータを順に経る閉ループを接続するようにした請求項３記載の合成ガス製造兼発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２２６８７（Ｐ２００６−２２６８７Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２００２３２（Ｐ２００４−２００２３２）
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]