(57)【要約】【課題】  合成ガスのエネルギーを有効に利用してエクセルギーロスを少なくする。【解決手段】  ＡＴＲ４で生成された合成ガス８の熱を利用する過熱器２４を設ける。過熱器２４の下流側に、合成ガス８を冷却することにより蒸気を発生させる第１クェンチャー２５と第２クェンチャー２６を設ける。第１クェンチャー２５と第２クェンチャー２６で発生して取り出された飽和蒸気３４で効率よくタービンの運転に用いられるように飽和蒸気３４を過熱する。この飽和蒸気３４の過熱を、加熱炉によらないで合成ガス８を利用する上記過熱器２４で行わせるようにする。これにより合成ガスのエネルギーの有効利用が図れ、エクセルギーロスを少なくできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成ガスの冷却により発生した飽和蒸気を、該合成ガスを冷却する前の合成ガスで過熱することを特徴とする合成ガスで発生した飽和蒸気の過熱方法。
【請求項２】
生成された合成ガスを送る途中でクェンチャーで冷却して蒸気を発生させ、発生した飽和蒸気をクェンチャーの上流側へ戻して上記生成された合成ガスを利用した過熱器で過熱することを特徴とする合成ガスで発生した飽和蒸気の過熱方法。
【請求項３】
合成ガスを下流側へ送る途中に、該合成ガスで飽和蒸気を過熱する過熱器と、合成ガスを冷却することにより蒸気を発生させるようにするクェンチャーを設け、且つ上記クェンチャーで発生して取り出された飽和蒸気を上記過熱器に供給する飽和蒸気管を備えたことを特徴とする合成ガスで発生した飽和蒸気の過熱装置。
【請求項４】
ＡＴＲの出口側に、合成ガスと飽和蒸気を熱交換させるようにする過熱器を設け、該過熱器の下流側に、上記過熱器を出た合成ガスを冷却して蒸気を発生させるクェンチャーを設け、該クェンチャーで発生して取り出された飽和蒸気のドラムと上記過熱器を飽和蒸気管で接続して、飽和蒸気を過熱器で過熱させるようにした構成を有することを特徴とする合成ガスで発生した飽和蒸気の過熱装置。
【請求項５】
過熱器を、耐火構造とした胴部内にＵ字状伝熱管を配置した構成として、胴部内に合成ガスを流し、伝熱管内に飽和蒸気を流すようにした請求項３又は４記載の合成ガスで発生した飽和蒸気の過熱装置。
【請求項６】
過熱器を、該過熱器出口での合成ガス温度が約８００℃程度より下がらないようにした請求項３、４又は５記載の合成ガスで発生した飽和蒸気の過熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガスを液体燃料に化学的に変換するときの供給原料として用いる合成ガスを冷却することにより発生させられた飽和蒸気で効率よく発電等に利用できるように飽和蒸気を過熱する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
常温では気体である天然ガスを液体にする技術として、天然ガスをそのまま−１６０℃という極低温に冷却して低温液体（液化天然ガス）とするＬＮＧ技術と、天然ガスをガソリン、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）技術がある。
【０００３】
上記ＧＴＬ技術では、化学反応の供給原料として合成ガス（Syngas）を用いるため、該合成ガスの生成プラントが設けられている。
【０００４】
合成ガスの生成プラントでは、天然ガスと水蒸気とを反応させて高温の合成ガス（水素と一酸化炭素の混合ガス）を生成させているため、ＡＴＲ（Auto Thermal Reformer）（
部分酸化改質炉）が用いられている。このＡＴＲは、天然ガスと水蒸気に酸素を加えて天然ガスを部分酸化させて燃焼させ、この燃焼熱を吸熱させることにより天然ガスを水蒸気改質させるようにするもので、自己熱改質をさせるものである。
【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合成ガス生成プラントでは、図３に概略を示す如く、天然ガス１に水蒸気２を加えたものを予熱器３で予熱した後、ＡＴＲ４へ天然ガス・水蒸気供給ライン５より供給するようにすると共に、該ＡＴＲ４に酸素６を酸素供給ライン７により供給するようにしてあり、ＡＴＲ４において酸素６による部分酸化により天然ガス１と水蒸気２が反応することにより天然ガス１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。更に、ＡＴＲ４で生成された合成ガス８は高温であるため、ＧＴＬの次工程での化学反応の原料とするため、上記高温の合成ガス８を冷却するようにしてあり、その冷却手段として、ボイラ水１１を胴部内に供給して蒸気を発生するようにしたボイラとしてのクェンチャー９が用いられており、該クェンチャー９が、ＡＴＲ４の合成ガス出口４ａに接続された合成ガス配管１０に設けられて、合成ガス８がクェンチャー９内の伝熱管内を流通させられるようにしてある（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００６】
一方、天然ガスを燃料とする合成ガスの生成ではないが、石炭スラリー等の燃料に酸素を加えて部分酸化させつつ水蒸気と反応させて合成ガスとしてのガス化ガスＨ２、ＣＯ２を生成するガス化炉の出口側に、該ガス化炉で生成された高温の粗ガスを冷却して該粗ガスの顕熱を回収するための粗ガスクーラを設置した構成のものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
又、上記特許文献１と同様に、石炭水スラリを酸素で部分酸化させながら水蒸気の存在下で反応させて高温の合成ガスとしての粗ガスを生成するガス化炉の出口側に、該ガス化炉で生成された高温の粗ガスを冷却するための粗ガス冷却器を設けた構成のものもある（たとえば、特許文献２参照）。
【０００８】
更に、石炭スラリーをガス化炉で燃焼して得られた高温の合成ガスをラジアントクーラーに入れて水管内の水を蒸気化するようにしたものもある（たとえば、特許文献３参照）。
【０００９】
一方、熱交換器として、伝熱管を用いたもの、特に、Ｕ字状に屈曲形成された伝熱管を用いて熱交換を行わせるようにしたものは既に提案されている。図４はその一例を示すもので、流体入口１３と流体出口１４を有する胴部１２内に、複数本のＵ字状伝熱管１５を配して、該各Ｕ字状伝熱管１５の一端部と他端部を、胴部１２の開口側端部１２ａを閉塞するように配置した管板１６に貫通させて支持させると共に、胴部１２の内側に取り付けたバッフルプレート１７にて支持させた構成としてある。又、上記管板１６の反対側には、上記Ｕ字状伝熱管１５の入口側と出口側とを仕切る仕切板１８を取り付け、更に、該仕切板１８により入口室１９と出口室２０を形成するように流体入口２２と流体出口２３を有するケーシング２１を取り付けた構成のものがある（たとえば、特許文献４参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−３０９７８３号公報
【特許文献２】特開２００１−１３１５６４号公報
【特許文献３】特開平７−１９７０４５号公報
【特許文献４】実開昭６３−１７９４６１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】
【００１１】
ところが、非特許文献１に記載されている天然ガスからの合成ガスの生成をＡＴＲ４で行って、生成された合成ガス８の冷却をボイラとしてのクェンチャー９で行って蒸気を発生させるようにしてある図３に示す如き構成のものでは、ＡＴＲ４で生成された１０００℃〜１２００℃の合成ガス８をクェンチャー９で３５０℃程度にまで冷却するようにしたものであるため、該クェンチャー９では、ボイラ水１１を蒸発させて約１０ＭＰａという高圧の蒸気を得ることができるが、３５０℃程度の飽和蒸気しか発生させることができないものである。
【００１２】
そのため、上記クェンチャー９で発生した飽和蒸気を、たとえば、蒸気タービンに導いて発電させようとしても効率が悪いという問題があり、１０００℃〜１２００℃の熱で３５０℃程度の蒸気を発生させることによるエクセルギーロスが大きく、エネルギーの有効利用が図られていない。
【００１３】
従来、上記クェンチャー９にて合成ガス８で発生した飽和蒸気をタービンで利用することは多く、かかる飽和蒸気を用いて効率よくタービンを運転させるために、上記飽和蒸気を更に高温にするために過熱（スーパーヒート）させることが試みられている。この飽和蒸気の過熱には、別途加熱炉を設けて、該加熱炉でスーパーヒートさせることが考えられている。
【００１４】
しかし、上記飽和蒸気を加熱炉で過熱させるようにする場合は、加熱炉という別の設備が必要となるという問題がある。
【００１５】
又、特許文献１に記載されている粗ガスクーラや、特許文献２に記載されている粗ガス冷却器、あるいは、特許文献３に記載されているラジアントクーラーのいずれの場合も、粗ガスや合成ガスを所定温度まで冷却して排気させるようにして蒸気を発生させるものであるが、該蒸気を更に過熱することは勿論のこと、粗ガスや合成ガスで蒸気を過熱させるようにしてエクセルギーロスを少なくし、エネルギーの有効利用を図るようにすることを全く示唆するものではない。
【００１６】
更に、特許文献４に記載されている熱交換器は、通常の異なる熱媒体との熱交換を行うものであって、過熱器として用いることを示唆するものではない。
【００１７】
そこで、本発明は、天然ガスからの合成ガスで発生した飽和蒸気を、専用の加熱炉を用いることなく過熱できるようにしてエクセルギーロスを少なくするようにする飽和蒸気の過熱方法及び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】
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するために、合成ガスの冷却により発生した飽和蒸気を、該合成ガスを冷却する前の合成ガスで過熱する方法、又は、生成された合成ガスを送る途中でクェンチャーで冷却して蒸気を発生させ、発生した飽和蒸気をクェンチャーの上流側へ戻して上記生成された合成ガスを利用した過熱器で過熱する方法とする。
【００１９】
又、上記方法を実施するため、合成ガスを下流側へ送る途中に、該合成ガスで飽和蒸気を過熱する過熱器と、合成ガスを冷却することにより蒸気を発生させるようにするクェンチャーを設け、且つ上記クェンチャーで発生して取り出された飽和蒸気を上記過熱器に供給する飽和蒸気管を備えた構成とする。
【００２０】
更に、ＡＴＲの出口側に、合成ガスと飽和蒸気を熱交換させるようにする過熱器を設け、該過熱器の下流側に、上記過熱器を出た合成ガスを冷却して蒸気を発生させるクェンチャーを設け、該クェンチャーで発生して取り出された飽和蒸気のドラムと上記過熱器を飽和蒸気管で接続して、飽和蒸気を過熱器で過熱させるようにした構成とする。
【００２１】
更に又、上記構成における過熱器を、耐火構造とした胴部内にＵ字状伝熱管を配置した構成として、胴部内に合成ガスを流し、伝熱管内に飽和蒸気を流すようにした構成とする。
【００２２】
又、上記構成における過熱器を、該過熱器出口での合成ガス温度が８００℃程度より下がらないようにした構成とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の合成ガスで発生した飽和蒸気の過熱方法及び装置によれば、
（１）合成ガスの冷却により発生した飽和蒸気を、該合成ガスを冷却する前の合成ガスで過熱する方法、又は、生成された合成ガスを送る途中でクェンチャーで冷却して蒸気を発生させ、発生した飽和蒸気をクェンチャーの上流側へ戻して上記生成された合成ガスを利用した過熱器で過熱する方法とするので、合成ガスのエネルギーを有効利用することができて、エクセルギーロスを少なくすることができる。 
（２）合成ガスを下流側へ送る途中に、該合成ガスで飽和蒸気を過熱する過熱器と、合成ガスを冷却することにより蒸気を発生させるようにするクェンチャーを設け、且つ上記クェンチャーで発生して取り出された飽和蒸気を上記過熱器に供給する飽和蒸気管を備えた構成としたり、ＡＴＲの出口側に、合成ガスと飽和蒸気を熱交換させるようにする過熱器を設け、該過熱器の下流側に、上記過熱器を出た合成ガスを冷却して蒸気を発生させるクェンチャーを設け、該クェンチャーで発生して取り出された飽和蒸気のドラムと上記過熱器を飽和蒸気管で接続して、飽和蒸気を過熱器で過熱させるようにした構成とすることにより、飽和蒸気の過熱に合成ガスが利用できて（１）の如き効果が得られるほかに、過熱のための加熱炉の如き別の設備を削除でき、設備を低減できる。 
（３）過熱器を、耐火構造とした胴部内にＵ字状伝熱管を配置した構成として、胴部内に合成ガスを流し、伝熱管内に飽和蒸気を流すようにした構成とすることにより、高温の合成ガスを胴部内に流すことから、胴部は耐火構造とするだけでよく、又、伝熱管には飽和蒸気を流すことから、伝熱管に高温の合成ガスを流す場合に比して熱応力の問題をなくすことができる。 
（４）過熱器を、該過熱器出口での合成ガス温度が８００℃程度より下がらないようにした構成とすることにより、コーキング防止を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。
【００２５】
図１及び図２は本発明の合成ガスで発生した飽和蒸気の過熱方法及び装置の実施の一形態を示すもので、図３に示す場合と同様に、合成ガス発生プラントにおけるＡＴＲ４に、天然ガス１と水蒸気２を天然ガス・水蒸気供給ライン５より供給すると共に、酸素６を酸素供給ライン７より供給して、該ＡＴＲ４内にて酸素６により天然ガス１を部分燃焼させてその燃焼熱を吸熱することにより天然ガス１を水蒸気改質して１０００℃〜１２００℃の合成ガスを生成させ、該生成された合成ガスをクェンチャーで冷却すると共に蒸気を発生させるようにしてある構成において、上記ＡＴＲ４で生成されて排気された合成ガスを熱源とする過熱器を設置し、飽和蒸気を合成ガスの保有する熱で過熱させて過熱蒸気を発生させるようにする。
【００２６】
すなわち、ＡＴＲ４からの合成ガス８を排気する合成ガス配管１０の上流側に、合成ガス８の熱を利用した過熱器２４を設置し、該過熱器２４の下流側に、合成ガス８を冷却することにより蒸気を発生させるようにするボイラとしての第１クェンチャー２５と第２クェンチャー２６を設け、上記過熱器２４を出た合成ガス８になお余っている熱により第１クェンチャー２５及び第２クェンチャー２６で蒸気を発生させるようにして、発生した飽和蒸気を上記過熱器２４に導き、合成ガス８を利用して飽和蒸気を過熱させることによりエネルギーの有効利用が図れるようにする。
【００２７】
そのために、上記過熱器２４、第１及び第２クェンチャー２５，２６のほかに、蒸気ドラム２７を設けて、該蒸気ドラム２７と第１及び第２クェンチャー２５，２６内の伝熱管２８とを給水管２９、飽和蒸気管３０，３１にて連通させると共に、蒸気ドラム２７と過熱器２４内の伝熱管３２とを飽和蒸気管３３にて連通させるようにし、第１クェンチャー２５と第２クェンチャー２６で発生して取り出された飽和蒸気３４を蒸気ドラム２７から過熱器２４に導いて５００℃〜６００℃の過熱蒸気３５を発生させるようにする。
【００２８】
３６はボイラ水３７を第２クェンチャー２６に供給するボイラ水供給管、３８は過熱器２４で発生させられた過熱蒸気３５を取り出す過熱蒸気管である。
【００２９】
本発明における上記過熱器２４の具体的構成は、図２に一例を示すとおりである。すなわち、胴部３９を、外壁３９ａの内側に全面にわたって耐火煉瓦の如き耐火材３９ｂを内張して耐火構造として、該胴部３９の所要個所に、ＡＴＲ４からの合成ガスの流入口４０を設けると共に、胴部３９の一端部に合成ガス流出口４１を設ける。上記胴部３９の他端側、すなわち、合成ガス流出口４１とは反対側の端部には、仕切板４２により上下の仕切室４３，４４に仕切られたケーシング４５を、管板４６を介して取り付ける。上記ケーシング４５の下側の入口側仕切室４３と上側の出口側仕切室４４には、上記胴部３９内に配した多数（図２では説明上１本の場合を示している）のＵ字状伝熱管３２の一端側と他端側を開口させ、入口側仕切室４３の入口４７から導入した飽和蒸気３４を入口側３２ａからＵ字状伝熱管３２内を流通させて、出口側３２ｂから出口側仕切室４４を経て出口４８より過熱蒸気３５として流出させるようにしてある。更に、胴部３９内では、Ｕ字状伝熱管３２を支持すると共に該Ｕ字状伝熱管３２の熱膨張時に容易に移動できるようにして熱応力が胴部３９に作用しないようにするため、胴部３９の内壁面に取り付けたセラミックス製のバッフルプレート４９で移動可能に支持させた構成としてある。
【００３０】
ＡＴＲ４で生成された合成ガス８は、過熱器２４、第１クェンチャー２５、第２クェンチャー２６を経て、最終的に４００℃以下とされ、普通の金属が用いられる状態として反応器へ送られるようになるが、上記第２クェンチャー２６では、供給されるボイラ水３７が伝熱管内を流通させられることにより合成ガスとの間で熱交換が行われる。第１クェンチャー２５では、蒸気ドラム２７からの給水が伝熱管内を流通させられることにより合成ガスとの間で熱交換が行われる。
【００３１】
上記第１クェンチャー２５及び第２クェンチャー２６で合成ガス８の熱によりボイラ水はともに蒸発させられ、約１０ＭＰａの蒸気が得られるが、３５０℃程度の飽和蒸気しか発生せず、そのまま蒸気ドラム２７に貯えられる。従来は、上記のようにして得られた飽和蒸気で蒸気タービンを回わして発電させようとしても効率が悪いことから、加熱炉で上記飽和蒸気を過熱して利用することが考えられていたが、本発明は、合成ガス８の熱を利用するようにした過熱器２４をクェンチャー２５，２６の上流側に置き、合成ガス８の１０００℃〜１２００℃という高熱を利用して飽和蒸気３４を過熱させるようにし、該過熱器２４を出た合成ガス８によりクェンチャー２５，２６で蒸気を発生させるようにする。
そのために、過熱器２４の出口の合成ガス８の温度を高温、たとえば、約８００℃程度より低くならないように設計するようにする。
【００３２】
先ず、第１クェンチャー２５を第２クェンチャー２６で合成ガス８を４００℃以下に冷却する際にボイラ水が蒸発させられて、それぞれのクェンチャー２５，２６より３５０℃程度の高圧の蒸気が発生させられるが、飽和蒸気しか発生しないので、次に、この飽和蒸気３４を蒸気ドラム２７から取り出して過熱器２４に導き、合成ガス８により過熱して５００℃〜６００℃の過熱蒸気３５とするようにする。上記過熱器２４は、図２に示す如く耐火構造とした胴部３９の内側にＵ字状伝熱管３２が配置してあって、該伝熱管３２は長手方向へ移動できるようにセラミックス製のバッフルプレート４９で支持されている構成としてあるので、合成ガス８は、合成ガス流入口４０より胴部３９内へ入る。一方、３５０℃程度の飽和蒸気３４は飽和蒸気管３３より入口側仕切室４３に入ってＵ字状伝熱管３２内に通される。合成ガス８は、合成ガス流出口４１へ達するまでに、Ｕ字状伝熱管３２内を流通させられる飽和蒸気３４と間接熱交換を行うことにより、約８００℃とされる。
飽和蒸気３４は、Ｕ字状伝熱管３２内から出口側仕切室４４へ達するまでの間に過熱され、５００℃〜６００℃の過熱蒸気３５となる。この際、過熱器２４の胴部３９内に直接合成ガス８を入れるようにしてあると共に、飽和蒸気３４をＵ字状伝熱管３２内に通すようにしてあるので、Ｕ字状伝熱管３２の熱膨張量は、該Ｕ字状伝熱管３２内に合成ガスを流す場合に比して大幅に小さく抑えることができて、胴部３９内に図２に二点鎖線で示す如きＵ字状伝熱管３２の熱膨張を十分に吸収させられるスペースを確保しておけば、胴部３９自体を伸縮できる構成とする必要がなく、又、胴部３９内に入る合成ガス８は圧力が低いので、胴部３９自体を耐圧構造とする必要はなく、側壁の板厚を小さくすることができる。
【００３３】
又、上記第１クェンチャー２５及び第２クェンチャー２６は、図１に示してあるように、上記過熱器２４の場合と同様に合成ガス８をそれぞれ胴部内に流し、給水やボイラ水３７は胴部内の伝熱管２８内に流すようにしてあるので、高温の合成ガス８を伝熱管２８内に流して胴部内にボイラ水を流すようにする場合に生じる弊害、たとえば、ボイラ水が高圧の蒸気となることにより胴部を耐圧構造としなければならず、一方、伝熱管内に高温の合成ガスを入れることによる伝熱管の熱応力を胴部を伸縮させることにより吸収させなければならないという問題を未然に防止することができる。
【００３４】
過熱器２４から取り出された５００℃〜６００℃の過熱蒸気３５は、高温であるため有効利用することができ、たとえば、蒸気タービンへ導いて蒸気タービンを回わすことにより発電機を駆動して発電させるようにしたり、又、合成ガスを化学反応させる前に昇圧させるため等で用意されているコンプレッサを駆動させるようにして、動力としてエネルギーを回収させるようにすることができる。
【００３５】
本発明においては、上記のように、合成ガスのクェンチャー２５，２６で発生した飽和蒸気を、合成ガス８を利用した過熱器２４で過熱して過熱蒸気３５を得るようにしてあるため、クェンチャーで発生した飽和蒸気を加熱炉の如き別の設備を用いることなく過熱することが可能であり、又、高温の合成ガス８の熱で飽和蒸気を過熱することから、合成ガス８のエネルギーの有効利用を図ることができてエクセルギーロスを少なくすることができる。
【００３６】
又、本発明においては、過熱器２４から排気される合成ガス８の出口温度を約８００℃程度としてそれより下らないように設計する。これによりコーキングを防止することができる。
【００３７】
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、たとえば、クェンチャーとして第１クェンチャー２５、第２クェンチャー２６の２つのクェンチャーを用いた場合を示したが、クェンチャーは１つとして合成ガス８を４００℃以下に冷却するようにし、発生した飽和蒸気を上流側の過熱器２４で過熱するようにしてもよいこと、その他本発明の要旨を変更しない範囲内で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】
【００３８】
【図１】本発明の実施の一形態を示す概要図である。
【図２】図１に示す過熱器の具体的構成の一例を示す切断側面図である。
【図３】従来の合成ガス生成プラントの一例を示す概要図である。
【図４】Ｕ字状伝熱管を用いた熱交換器の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
４  ＡＴＲ
８  合成ガス
２４  過熱器
２５  第１クェンチャー（クェンチャー）
２６  第２クェンチャー（クェンチャー）
２７  蒸気ドラム（ドラム）
３０，３１，３３  飽和蒸気管
３２  Ｕ字状伝熱管
３４  飽和蒸気
３５  過熱蒸気
３９  胴部
３９ｂ  耐火材
４０  合成ガス流入口
４１  合成ガス流出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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