(57)【要約】【課題】  残渣油の中に含まれる改質可能な成分を、改質燃料として取り出すと同時に、連続的に残渣油を排出することによって、コークス化（炭化）を防ぐことである。【解決手段】  ガスタービンの排熱を利用して得られる高温・高圧水を用いて高温・高圧水と重質油を混合し反応させ、重質油から改質燃料を製造する燃料改質器を有し、この改質器において残渣油を反応器内で一定時間滞留させることにより、残渣油の中に含まれる改質可能な成分を、更に効果的に改質燃料として得られると同時に、連続的に残渣油を排出することによって、コークス化（炭化）を防ぎ、排出管を閉塞することがなくなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温・高圧水を生成する高温・高圧水製造装置と、前記高温・高圧水製造装置から得られる高温・高圧水を重質油と混合して反応させ、改質燃料を製造する燃料改質器と、前記改質器の下部に接続され、前記改質器の底部から残渣油を排出する排出管と、下方が開放され前記排出管の上端外周部を覆うキャップと、前記排出管の途中に設けられた貯油タンクを備え、前記残渣油に含まれる気体は、前記貯油タンクの上方位置近傍に設けられた通気孔を通して前記改質器内へ放出され、前記排出管およびキャップはサイフォン排出路を構成し、前記残渣油は、１分〜５分間前記サイフォン排出路内に滞留した後排出されることを特徴とする水を利用する重質油改質装置。
【請求項２】
請求項１に記載の重質油改質装置において、前記高温・高圧水製造装置は、ガスタービンの排熱を利用して高温・高圧水を製造する重質油改質装置。
【請求項３】
請求項１に記載の重質油改質装置において、前記排出管の管径は、10mm〜30mmである高温・高圧水を利用する重質油改質装置。
【請求項４】
高温・高圧水を生成する高温・高圧水製造装置と、前記高温・高圧水製造装置から得られる高温・高圧水を重質油と混合して反応させ、改質燃料を製造する燃料改質器と、前記改質器の下部に接続され、前記改質器の底部から残渣油を排出する排出管と、下方が開放され前記排出管の上部を覆うキャップとを備え、前記残渣油に含まれる気体は、前記キャップの上部位置近傍に設けられた通気孔を通して前記改質器内へ放出され、前記排出管およびキャップはサイフォン排出路を構成し、前記残渣油は、１分〜５分間前記サイフォン排出路内に滞留した後排出されることを特徴とする高温・高圧水を利用する重質油改質装置。
【請求項５】
請求項４に記載の重質油改質装置において、前記排出管の管径は、10mm〜30mmである高温・高圧水を利用する重質油改質装置。
【請求項６】
高温・高圧水を生成する高温・高圧水製造装置と、前記高温・高圧水製造装置から得られる高温・高圧水を重質油と混合して反応させ、改質燃料を製造する燃料改質器と、前記改質器の下部に接続され、前記改質器の底部から残渣油を排出するためのサイフォン原理を用いたＵ字管型排出管とを備え、前記残渣油に含まれる気体は、前記Ｕ字管型排出管の変曲点位置付近に設けられた通気孔を通して前記改質器内へ放出され、前記残渣油は、１分〜５分間前記Ｕ字管型排出管内に滞留した後排出されることを特徴とする高温・高圧水を利用する重質油改質装置。
【請求項７】
請求項６に記載の重質油改質装置において、前記排出管の管径は、10mm〜30mmである高温・高圧水を利用する重質油改質装置。
【請求項８】
ガスタービンと、前記ガスタービンへ燃焼ガスを供給する燃焼器と、前記ガスタービンの排熱を利用する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラを利用して生成される高温・高圧水を重質油と混合し反応させ、重質油から改質燃料を製造する燃料改質器と、前記改質器の下部に設けられ、サイフォン原理により前記改質器から残渣油を排出する排出管と、前記排出管の変曲点位置付近に設けた通気孔とを備え、改質燃料を前記燃焼器へ供給し、前記残渣油に含まれる気体は、前記通気孔を通して前記改質器へ放出され、燃料として前記燃焼器へ供給され、残渣油は、１分〜５分の間前記改質器内に滞留した後排出されることを特徴とする高温・高圧水を利用するガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温・高圧水を用いて重質油を高温・高圧状態で軽質化し改質燃料とする改質装置と、それを用いるガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
重質油は廉価であるが、高粘度であるとともに、高濃度の硫黄分や重金属分を含有しているのでガスタービン燃料には適さない。このため、重質油を軽質化、脱硫黄化、脱金属化し、ガスタービンにも使用できる燃料とする技術が特許文献１（特開平11-80750号公報）、特許文献２（特開2000-109850号公報）、特許文献３（特開2000-109851号公報）に開示されている。これらはいずれも高温・高圧水と重質油を20MPa以上、400℃〜450℃程度の反応条件（高温・高圧状態）で反応させ、熱分解、加水分解を起こさせている。
【０００３】
反応器内においては、重質油が熱分解する際、その多くは軽質化して改質燃料となる。残りの一部は改質されないで、濃縮された重金属等を含む液体である残渣油として落下する。この残渣油の中にも、まだ改質可能な成分が存在しているため、そのまま排出させることは資源の有効利用の観点から不利益である。また、この残渣油を反応器内に400℃〜450℃程度の温度条件で長時間滞留させるとコークス化（炭化）し、排出管を閉塞する恐れがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平11-80750号公報
【特許文献２】特開2000-109850号公報
【特許文献３】（特開2000-109851号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ガスタービンの排熱を利用して得られる高温・高圧水を重質油と混合し反応させ、重質油から改質燃料を製造する燃料改質器を有し、この改質器において残渣油を反応器内で一定時間滞留させることにより効果的に改質燃料を得ると同時に、連続的に残渣油を排出することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの解決手段は、ガスタービンの排熱を利用して高温・高圧水を生成する高温・高圧水製造装置と、前記高温・高圧水製造装置から得られる高温・高圧水を重質油と混合して反応させ、改質燃料を製造する燃料改質器と、前記改質器の下部に接続され、前記改質器底部から残渣油を排出する排出管と、下方が開放され前記排出管の上部を覆うキャップとを備え、前記残渣油に含まれる気体は、前記キャップの上部位置近傍に設けられた通気孔を通して前記改質器内へ放出され、前記排出管およびキャップはサイフォン排出路を構成し、前記残渣油は、１分〜５分間前記サイフォン排出路内に滞留した後排出される高温・高圧水を利用する重質油改質装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、重質油をガスタービンの排熱を利用して得られる高温・高圧水と混合し反応させ、重質油から改質燃料を製造し、さらに残渣油を改質器内で一定時間、例えば１〜５分滞留させることにより、残渣油の中に含まれる改質可能な成分を、さらに改質燃料として回収するとともに、連続的に残渣油を排出することによって、コークス化（炭化）を防ぎ、排出管を閉塞することがなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の１実施形態を示すガスタービンシステムの全体的な構成図である。この実施形態においては、ガスタービンの排熱を利用して得られる高温・高圧水を、燃料改質器内において高温・高圧状態で重質油と混合し、反応させる。これにより、重質油は軽質化されて改質燃料となり、ガスタービン用燃料として使用する。
【０００９】
図1において、ガスタービンの燃焼器１０は、起動時に起動用燃料である軽油１２と、空気圧縮機１４からの圧縮空気とが供給され、軽油１２を燃焼させることによって起動する。空気圧縮機１４は、外気より取入れられる空気１６を圧縮して圧縮空気を発生する。
【００１０】
燃焼器１０からの高温、高圧燃焼ガスによって運転されるタービン１８は、発電機２０を駆動する。タービン１８を駆動させた後の排ガスは、排熱回収ボイラ２２に送られる。通常の大型ガスタービンでは、定格運転における燃焼排ガス温度は約560℃程度である。
【００１１】
水２４は水加圧ポンプ２６によって５〜３０MPa程度に昇圧され排熱回収ボイラ２２に送られる。ここで熱交換することによって３50℃〜550℃程度の重質油改質用の高温・高圧水２８が生成される。
【００１２】
重質油２４は、重質油加圧ポンプ２６によって５〜３０MPa程度に昇圧された後、重質油加熱器３４において350℃程度に昇温され燃料改質器３６に供給される。それぞれ昇温昇圧された加熱重質油３８及び高温・高圧水２８を燃料改質器３６において混合し、改質燃料４０を製造する。改質燃料４０は、ガスタービン燃焼器１０へ供給される。
【００１３】
重質油加熱器３４に供給する過熱蒸気４２とコンバインドサイクルとしての蒸気タービン４４用過熱蒸気４６も、排熱回収ボイラ２２で同時に生成される。蒸気タービン４４を駆動した過熱蒸気４６は、復水器４８，復水ポンプ５０を介して再び排熱回収ボイラ２２へ戻される。
【００１４】
重質油加熱器３４へ供給された過熱蒸気５１は、補給水５２と合流し、復水器４８へ供給される。蒸気タービン４４は、発電機５４を駆動する。燃料改質器３６は、単筒もしくは複数の円筒容器から構成され、各円筒容器内部で高温・高圧状態の水と重質油が混合する。
【００１５】
高温・高圧水が持つ作用として、重質油と均一層を形成し、重質油中の比較的高分子の油を分解、軽質化するとともに、油分子中に結合しているバナジウムなどの重金属を分離させる働きがある。燃料改質器３６内で、重質油改質および重金属除去が行われる。そして、改質された改質燃料４０は燃焼器１０に供給され、燃焼用空気によって燃焼し、ガスタービン１８を駆動して発電する。
【００１６】
燃料改質器３６内では、供給された重質油の数％は残渣油５６として取り出される。本発明は、この改質器３６内に油を一定時間滞留させた後、連続的に残渣油５６として排出させる構造に関するものである。
【００１７】
図２は、図１の点線で囲まれたＡ部の詳細な一実施形態を示しており、改質器３６の下部にサイフォン原理を用いて、残渣油を抜き出し可能とする構造である。残渣油５６を抜き出す排出管５８を改質器底部より突き出させ、その排出管５８の先端外周部を覆うキャップ６０を設置する。
【００１８】
このキャップ６０は、サイフォンキャップであり、その上部位置に通気孔６２が設けられている。改質器３６の底部から突き出させた排出管５８の高さに相当する改質器下部の容積分が残渣油５６の滞留量となる。キャップ６０は、底部が開放し、その先端は排出管５８の立ち上がった先端よりも下方に位置し、改質器３６の底部と所定間隔を持っている。
【００１９】
したがって、キャップ６０の下端および排出管５８上端部によってＵ字型の通路が形成され、サイフォン作用がある。サイフォン排出路は、単に上方からキャップ６０を排出管５８の上端部外周にかぶせるだけでよいので、組み立ては簡単である。なお、図示していないが、キャップ６０は適当な手段で固定される。
【００２０】
このサイフォン作用によって、残渣油５６の液面が上方に延びている排出管５８の上方端を越えると、サイフォン作用が発生する。このため、残渣油５６は排出管５８を通って排出され、その液面がキャップ６０の下端部までに低下すると排出作用を停止する。
【００２１】
一般的なサイフォンは、流入液体がサイフォン部へ流入した際、流入量と同じ体積の空気（気体）量を排出させなければならないが、タンクが開放しているため空気は問題なく排出される。しかしながら、タンクが完全に密閉されている場合には、流入量と同じ体積の空気（気体）を外部へ逃がす必要がある。もし、空気（気体）を逃がさない構造では、液体は流入しにくくなる。図２に示す実施例においては、サイフォンキャップ６０に通気口６２を設け、それを通して空気（気体）を逃がしている。したがって、この実施例においては、サイフォンキャップ６０に通気口６２を設けることによって、サイフォンの機能を果たしている。
【００２２】
この改質器３６内においては、重質油が熱分解する際、その多くは軽質化して改質燃料４０となるが、残りの数％は重金属等が濃縮されながら改質せず、液状のまま残渣油５６として落下する。
【００２３】
この改質器３６内で落下する残渣油５６の中にも、まだ改質可能な成分が存在している。そのまま排出させることは資源の有効利用の観点から不利益である。そのため、改質器３６の下部で一旦残渣油５６を、例えば、１〜５分滞留させる。
【００２４】
その反対に、この残渣油５６を反応器３６内において３５０℃〜５５０℃程度の温度条件で長時間滞留させるとコークス化（炭化）し、排出管５８を閉塞することがある。このために、連続的に残渣油５６を流動させながら、滞留と排出を同時に行わなくてはならない。
【００２５】
この実施形態では、図２に示す構造とすることによって、残渣油５６を一定時間、例えば１〜５分改質器３６の下部で滞留させた後、連続的に排出させることができ、残渣油５６の改質とコークス化回避を同時に行うことが可能となる。
【００２６】
基礎試験の結果から、残渣油５６の滞留時間は１分〜５分以内であることが望ましい。したがって、この時間条件を満足させる構造寸法とすれば良い。また、排出させる際に押し出される気体は、キャップ６０に設けられた通気孔６２から改質器内へ回収されることとなり、フラッディング現象を発生させることなくスムーズに気体を排出可能となる。なお、フラッディング現象とは、排出管５８に流入する油と押し出される気体とが対抗し、油が落下できない現象である。通気孔６２は、排出管５８とキャップ６０によって形成されるＵ字状サイフォン排出路の頂部、すなわち変曲点付近に設けられる。
【００２７】
改質器３６下部の底辺部にはドレンライン６４が設けられており、起動および停止時等の際、底部に溜まった残渣油５６はドレンバルブ６６を開閉することによって、排出させることが可能である。
【００２８】
排出管５８の下流に貯油タンク６８が設けられ、その貯油タンク６８に残渣油５６が流入する排出管５８と通気管７０がそれぞれ独立させて設置されている。通気管７０は、下端が貯油タンク６８に開口し、上端は改質器３６の内部に延びて開口している。開口部は、下向きになっており、残渣油５６の侵入を防止する。
【００２９】
この構造によれば、残渣油５６が排出管５８に流入する際、押し出される気体は、独立した通気管７０から改質器３６内へ放出されるため、排出管５８におけるフラッディング現象は生じることがない。したがって、この実施形態では、気体は通気管７０を通して介して改質器３６へ排出されるので、通気孔６２がなくても良い。
【００３０】
図３は、本発明の具体的な排出方法の一実施形態を示している。改質器３６内に供給される高温・高圧水２８と、高温に加熱された重質油３８は、高温高圧のガス状で１〜３分間反応し、改質が行われる。約９０％以上は改質され改質ガス４０となって燃焼器１０へ供給される。残りの数％は、残渣油５６として改質器３６の底部へ落下する。
【００３１】
改質器３６内で落下した残渣油５６は、改質器３６の下部で一旦滞留しながら再度改質反応した後、改質器３６の底部へ突き出した排出管５８に流入する。残渣油５６の反応時間は約１分〜５分であり、この実施形態においては、排出管５８の上部にかぶせたキャップ６０により形成されるサイフォン作用がこの反応時間の間滞留させている。
【００３２】
排出管５８の下流側には、自動開閉バルブ7２が設置されており、このバルブ７２はコントローラ７４の信号により作動する。このコントローラ７４には、液面検知用超音波センサ７６が接続されている。液面検知用超音波センサ７６は、排出管５８の任意の位置に上側と下側に設置された２個のセンサ７８，８０および改質器３６の底部に設置されたセンサ８１を有する。
【００３３】
排出管５８に流入した残渣油５６は閉止された自動開閉バルブ７２によって徐々に溜まる。廃油の液面が上側の液面検知用超音波センサ７８の位置まで溜まると、このセンサ７８によって検知され、自動開閉バルブ７２が開き廃油がクーラー８２を経て廃油タンク８４に送られる。
【００３４】
残渣油５６が排出されると、排出管５８内の廃油液面が徐々に低下する。下側の液面検知用超音波センサ８０の位置まで降下すると、センサ８０によって液面が検知され、自動開閉バルブ７２が閉まる。このように、上下に取り付けられた液面検知用超音波センサ７８，８０によって、自動開閉バルブ７２が開閉し、残渣油５６の排出を自動的に行う。
【００３５】
残渣油５６の排出が行われないで、液面が異常に上昇し、センサ８１に達すると、センサ８１の発生する検知信号によりコントローラ７４は、自動開閉バルブ７２に開放指令を与える。
【００３６】
自動開閉バルブ７２とクーラー８２の間に位置する排出管５８にはオリフィス８６，バイパスバルブ８８が設けられている。バイパスバルブ８８を閉鎖したときは、廃油は、オリフィス８６を通り、バイパスバルブ８８を開放したときはオリフィス８６を側路して流れる。
【００３７】
改質器３６本体の温度は、改質反応に必要な程度の温度、例えば450℃を維持する必要がある。特に、排出管５８の温度が飽和温度以下まで低下すると、改質反応用に使用している高温・高圧状態の水が凝縮する現象が生じるため、飽和温度以上、たとえば、400℃程度に維持する必要がある。
【００３８】
図４は、本発明の他の一実施形態を示している。その基本的な原理は図２と同じであるが、燃料改質器３６の下部にＵ字管による排出管構造とすることによって、排出管５８の高さに相当する容積分が残渣油５６の滞留となり、このＵ字管内で残渣油を一定時間、例えば１〜５分滞留させた後、連続的に排出させるものである。
【００３９】
Ｕ字管の立ち上がり部、すなわち変曲点部付近には通気孔管９２を設けてあるので、排出させる際に押し出される気体は、この通気管９２から出ることとなり、フラッディング現象を発生させることなくスムースな排出となる。通気管９２からの気体は、改質器３６に戻される。残渣油５６の排出は、図３と同様、液面検知用超音波センサ７６によって、コントローラー７４が指令を発生し、自動開閉バルブ７２が開閉し、排出を自動的に行なっている。
【００４０】
燃料改質器３６の下部にサイフォン原理を用いたＵ字管による配管構造とすることによって、Ｕ字管内で残渣油を一定時間滞留させた後、連続的に排出させることができる。さらに、Ｕ字管の立ち上がり部に通気孔９２を設けることにより、排出させる際に押し出される気体は、この通気管９２から出ることとなる。
【００４１】
図５は、本発明の実施形態の排出管５８における残渣油量とフラディング現象との関係を表す図である。フラッディング現象とは、排出管に流入する油の量が多すぎると、押し出される気体とが対向し、油が落下できない現象をいう。このフラッディング発生限界に対して、Wallis[ G.B.: Flooding velocity for air and water in vertical tubes, AEEW-R123(1961) ]は水-空気試験に基づいて、以下の式を提案している。
【００４２】
【数１】
2006028329.tif 000003
【００４３】
ここで、Cは液の入口条件に依存する値で、管上端から液を供給するsharp-edgeフランジの場合はC=0.725-0.75、管端をよく丸めた場合にはC=0.88-1.0である。また、Uｇ*及びUｌ*は気相及び液相の無次元速度であり、以下で表される。
【００４４】
【数２】
2006028329.tif 000004
【００４５】
この式によって計算した場合、一例として、油供給量が230(kg/h)の条件の場合においては、残渣油率（残渣油量）とフラッディングが発生する時の排出管５８の内径との関係は、図５に示すような計算結果となった。
【００４６】
図より残渣油率が大きくなると、フラッディングを起こさないように管内径を大きくする必要があることが分かる。基礎試験の結果によると、残渣油率は4wt％〜20wt%（10kg/h〜46kg/h）程度であることが分っている。この条件でフラッディングを発生させずに残渣油を流下させるためには、内径が10mm〜20mmの管を用いれば良い。
【００４７】
ここで、一般に配管は工業規格品を用いるので、管内径は規格寸法によって決定される。すなわち、残渣油量が46kg/h（20wt%）の場合、20mmの管内径を用いることが望まれる。これに相当する配管の工業規格品では、内径が21.2mmとなり、ほとんど裕度がないことからその次の大きさの規格品寸法29.9mmを用いることとなる。したがって、フラッディング現象を発生させずに残渣油を流下させる実質的な管内径は、10mm〜30mmとなる。
【００４８】
以上説明したように上記の実施形態によれば、重質油をガスタービンの排熱を利用して得られる高温・高圧水と混合し反応させ、重質油から改質燃料を製造し、さらに残渣油を改質器内で一定時間、例えば１〜５分滞留させることにより、残渣油の中に含まれる改質可能な成分を、さらに改質燃料として回収するとともに、連続的に残渣油を排出することによって、コークス化（炭化）を防ぎ、排出管を閉塞することがなくなる。
【００４９】
上記の実施態様においては、改質器の下部にサイフォン原理を用いた抜き出し構造を用いている。すなわち、残渣油を抜き出す排出管を改質器の底部より突き出させ、その排出管を覆うキャップを設置し、サイフォン排出路を形成する。このキャップは通気孔を設けたサイフォンキャップとすることにより、残渣油を一定時間改質器の下部で滞留させた後、連続的に排出させることができ、かつ、排出させる際に押し出される気体はキャップに設けられた通気孔から出ることとなる。
【００５０】
さらに上記の実施態様によれば、改質器の下部にサイフォン原理を用いた抜き出し構造とし、残渣油を一定時間滞留させた後排出させる際、排出管の下流部の一定区間を一時的に廃油を溜めるとした場合、もしくは、貯油タンクを設けて溜めるとした場合、廃油の液面検知に超音波センサを用いることによって液面管理を行い、排出用のバルブの開閉を自動的に作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態を示す高温・高圧水利用重質油改質器ガスタービンシステムの概要図である。
【図２】図１の重質油改質器の残渣油排出構造を示す概要図である。
【図３】本発明の実施形態を示す高温・高圧水利用重質油改質器の残渣油排出システムの概要図である。
【図４】本発明による他の高温・高圧水利用重質油改質器の残渣油排出構造を示す概要図である。
【図５】本発明の実施形態の排出管における残渣油量とフラディング現象との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０…燃焼器、１２…軽油、１４…空気圧縮機、１６…空気、１８…タービン、２０…発電機、２２…排熱回収ボイラ、２４…水、２６…水加圧ポンプ、２８…高温・高圧水、３０…重質油、３２…重質油加圧ポンプ、３４…重質油加熱器、３６…改質器、３８…加熱重質油、４０…改質ガス、４２…重質油加熱用水蒸気、４４…蒸気タービン、４６…蒸気タービン用水蒸気、４８…復水器、５０…ポンプ、５２…補給水、５４…発電機、５６…残渣油、５８…排出管、６０…サイフォンキャップ、６４…ドレンライン、６６…ドレンバルブ、６８…貯油タンク、７０…通気管、７２…自動開閉バルブ、７４…コントローラ、７６…液面検知用超音波センサ、７８，８０、８１…超音波センサ、８２…クーラー、８４…廃油タンク、８６…オリフィス、８８…バイパスバルブ。
【図１】
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【図２】
2006028329.tif 000006
【図３】
2006028329.tif 000007
【図４】
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【図５】
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