(57)【要約】  本発明は、ＣＯ２分離を組み込んだＩＧＣＣ発電プロセスの稼働方法に関する。本方法では、Ｈ２およびＣＯ２含有プロセスガスが、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）により、工業用純水素ならびにＣＯ２に富む画分に分けられ、その際、ＣＯ２に富む画分は、圧力低下によりＰＳＡオフガスとして放出される。生じた水素は、電流を発生させるために用いられる少なくとも１つのガスタービン内で燃焼され、このガスタービンの排ガスが、排熱ボイラ内で水蒸気を発生させるために利用され、この水蒸気は、同様に電流を発生させるために利用される蒸気タービンプロセスで減圧される。ＰＳＡオフガスは、別のボイラ内で工業用純酸素を使って燃焼され、その際、煙ガスが１０００℃超の煙ガス温度で発生する。この煙ガスが、蒸気タービンプロセスのために、蒸気タービンプロセスに供給される蒸気を過熱するため、および／またはより高く加圧された蒸気を発生させるために利用される。ガスタービンの排熱および煙ガスの排熱から、蒸気タービンプロセスのために、圧力が１２０バール超および温度が５２０℃超の過熱高圧蒸気を発生させる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２分離を組み込んだＩＧＣＣ発電プロセスの稼働方法であって、
化石燃料から、ＣＯおよびＨ２を含む合成ガスが生成され、
合成ガスの少なくとも１つの部分流が、ＣＯ転換ステップで水蒸気によりＨ２とＣＯ２に転化され、
発生したＨ２およびＣＯ２含有プロセスガスが、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）により、工業用純水素、ならびにＣＯおよびＨ２のような燃焼可能なガスも含んでいるＣＯ２に富む画分とに分けられ、
生じた水素が、電流を発生させるために用いられる少なくとも１つのガスタービン内で燃焼され、
ガスタービンの排ガスが、排熱ボイラ内で水蒸気を発生させるために利用され、前記水蒸気が、同様に電流を発生させるために利用される蒸気タービンプロセスで減圧され、
圧力スイング吸着法からのＣＯ２に富む画分が、別のボイラ内で工業用純酸素を使って燃焼され、ＣＯ２と燃焼生成物から成る煙ガスの排熱が熱交換により利用され、
ＣＯ２に富む画分を燃焼させた際に発生する煙ガスから水蒸気が分離され、実質的にＣＯ２から成る残留流が最終貯蔵または再利用に送られる方法において、
圧力スイング吸着法の際に発生するＣＯ２に富む画分を燃焼させることにより、煙ガスが１０００℃超の煙ガス温度で発生し、前記煙ガスが、蒸気タービンプロセスのために、ガスタービンの後ろに接続された排熱ボイラ内で発生した蒸気を過熱するため、および／またはより高く加圧された蒸気を発生させるために利用されること、ならびにガスタービンの排熱およびＣＯ２に富む画分を燃焼させた際に発生する煙ガスの排熱から、蒸気タービンプロセスのために、圧力が１２０バール超で温度が５２０℃超の過熱高圧蒸気を発生させることを特徴とする方法。
【請求項２】
蒸気タービンプロセスのために、圧力が２００バール超の高圧蒸気を発生させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
蒸気タービンプロセスのために、少なくとも１つの高圧部分および低圧部分を有する蒸気タービンが用いられること、およびＣＯ２に富む画分を燃焼させた際に発生する煙ガスを用いて、高圧部分からの減圧蒸気が５２０℃超の温度に中間過熱されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
合成ガスが窒素を含まずに生成されるよう、化石燃料から合成ガスを生成する際に、ＣＯ２が、燃料の搬送および／または洗浄および不活化のために用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
ＣＯ２に富む画分を燃焼させた際に発生する煙ガスが、蒸気タービンプロセスのために、ガスタービンの後ろに置かれた排熱ボイラ内で発生した蒸気を過熱した後に、もしくはより高く加圧された蒸気を発生させた後に、燃焼前のＣＯ２に富む画分の予熱および／または供給された工業用純酸素の予熱に利用されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
ＣＯ２に富む画分が燃焼する際の燃焼温度が、ＣＯ２に富む画分中の燃焼可能なガスの含有率によって調節されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
合成ガスの部分流が、ＣＯ転換ステップを通らないバイパス内を案内されること、およびバイパス内を案内される流量を制御することにより、ＣＯ２に富む画分を燃焼させた際に生じる燃焼温度が調節されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
煙ガス温度を下げるため、ＣＯ２に富む画分からの排ガスの部分流が、ＣＯ２に富む画分を燃焼させるためのボイラ内に返送されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
ＣＯ２に富む画分を燃焼させた際に生じる煙ガス温度が、合成ガスの供給または別の燃料ガス源からの燃料ガスの供給によって高められることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
合成ガスが、ＣＯ転換の前に脱硫されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１１】
合成ガスが、ＣＯ転換の後に脱硫されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
合成ガスに含まれる硫黄成分が、圧力低下により、圧力スイング吸着法で生じるＣＯ２に富む画分に入り、その際、ＣＯ２に富む画分が、工業用純酸素を使った燃焼の前に脱硫されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
合成ガスに含まれる硫黄成分が、圧力低下により、圧力スイング吸着法で生じるＣＯ２に富む画分に入り、ＣＯ２に富む画分が燃焼される際にＳＯＸに転化されること、および前記ＳＯＸ成分が、煙ガス脱硫により、ＣＯ２含有煙ガスから分離されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２分離を組み込んだＩＧＣＣ発電プロセスの稼働方法に関する。ＩＧＣＣは「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｃｙｃｌｅ」の略である。ＩＧＣＣ発電とは、化石燃料のガス化ステップ、特に石炭ガス化ステップが前置されている、ガスタービン発電および蒸気タービン発電を組み合わせた発電である。
【背景技術】
【０００２】
ガス化とは、化石燃料から、ＣＯおよびＨ２を含む合成ガスを生成するプロセスである。この合成ガスにＣＯ転換を実施し、その際、合成ガスに含まれる一酸化炭素が、水蒸気により二酸化炭素と水素に転化される。転換後の合成ガスは、主に二酸化炭素と水素から成る。化学的ガス洗浄または物理的ガス洗浄により、合成ガスから二酸化炭素を取り除くことができる。その後、水素に富む合成ガスをガスタービン内で燃焼させる。二酸化炭素を除去するためのこのコンセプトの場合、ＣＯ２を除去しない従来のガスタービン発電および蒸気タービン発電に比べ、全体効率が約１０パーセント悪くなる。
【０００３】
ＥＰ０２６２８９４Ｂ１（特許文献１）からは、炭化水素のほかにＨ２およびＣＯ２を含む燃料からＣＯ２を分離および回収するための方法が知られており、この方法では、供給ガスを、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｗｉｎｇ  ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）により、工業用純水素画分ならびにＣＯ２に富む画分に分け、その際、ＣＯ２に富む画分には、燃焼可能なガスおよび特にＨ２も含まれており、このＰＳＡプラントからのＣＯ２に富む画分を、別のボイラ内で工業用純酸素を使って燃焼させる。その際、排熱を、例えば蒸気を発生させるために利用することができる。
【０００４】
ＵＳ−２００７／０１７８０３５Ａ１（特許文献２）からは、ＣＯ２分離を組み込んだＩＧＣＣ発電プロセスの稼働方法が知られている。この既知の方法では、化石燃料から、ＣＯおよびＨ２を含む合成ガスが生成され、その際、この合成ガスの少なくとも１つの部分流が、ＣＯ転換ステップで水蒸気によりＨ２とＣＯ２に転化される。この発生したＨ２およびＣＯ２含有プロセスガスは、圧力スイング吸着法（ＰＳＡプラント）により、工業用純水素画分ならびにＣＯ２に富む画分に分けられ、その際、ＣＯ２に富む画分には、ＣＯならびにＨ２のような燃焼可能なガスも含まれている。生じた水素は、電流を発生させるために用いられるガスタービン内で燃焼され、その際、このガスタービンの排ガスを、排熱ボイラ内で水蒸気を発生させるために利用し、この水蒸気は、同様に電流を発生させるために利用される蒸気タービンプロセスで減圧される。圧力スイング吸着プラント（ＰＳＡ）内での周期的な圧力低下により放出された、以下に「ＰＳＡオフガス」と言う、圧力スイング吸着法からのＣＯ２に富む画分は、別のボイラ内で工業用純酸素を使って燃焼される。その際、ＣＯ２と燃焼生成物から成る煙ガスの排熱が熱交換により利用される。この既知の方法では、この煙ガスの排熱は、ガスタービンプロセスで用いられる水素流を予熱するために使用される。
【０００５】
ＷＯ２００６／１１２７２５Ａ１（特許文献３）も同様に、前述の特徴を有する方法を記載している。圧力スイング吸着法からのＣＯ２に富む画分は、合成ガスを生成する水蒸気改質装置を加熱するための燃料ガスとして用いられる。燃焼の際に発生する煙ガスは、実質的にはＣＯ２と水蒸気から成る。水蒸気を分離して、実質的にＣＯ２から成る残留流を最終貯蔵または再利用に送る。
【０００６】
従来のＩＧＣＣプロセスのガスタービンの排ガス温度は約６００℃である。より高い排ガス温度は、従来のガスタービンでは特に材料技術の理由から不可能である。したがってガスタービンの排熱利用では、蒸気タービンプロセスのために、温度が最高で約５５０℃の蒸気しか準備できない。合成ガスを生成する際の高いガス化温度も、蒸気のより高い過熱に利用することはできない。なぜなら合成ガスが蒸気ボイラの材料を還元し、これによりボイラを継続的に損傷させるおそれがあるからである。従来のＩＧＣＣ発電プロセスは、近年の石炭火力発電のレベルには相当しない蒸気パラメータ（圧力および過熱温度）で蒸気タービンプロセスを稼働せざるを得ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＥＰ０２６２８９４Ｂ１
【特許文献２】ＵＳ−２００７／０１７８０３５Ａ１
【特許文献３】ＷＯ２００６／１１２７２５Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この背景に基づき、本発明の課題は、ＣＯ２分離を組み込んだＩＧＣＣ発電プロセスの全体効率を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の対象および本課題の解決策は、請求項１に記載の方法である。冒頭に述べた、かつ請求項１のプリアンブルに提示した特徴を有する方法を基礎とし、本課題は、本発明に従い、圧力スイング吸着法の際に発生するＣＯ２に富む画分を燃焼させることにより、煙ガスを１０００℃超の煙ガス温度で発生させ、この煙ガスを、蒸気タービンプロセスのために、ガスタービンの後ろに接続された排熱ボイラ内で発生した蒸気を過熱するため、および／またはより高く加圧された蒸気を発生させるために利用することにより、およびガスタービンの排熱およびＣＯ２に富む画分を燃焼させた際に発生する煙ガスの排熱から、蒸気タービンプロセスのために、圧力が１２０バール超で温度が５２０℃超、好ましくは５５０℃超の過熱高圧蒸気を発生させることにより解決される。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ＰＳＡオフガスを別のボイラ内で酸素を使って燃焼させることにより、実質的にはＣＯ２および水蒸気から成る１０００℃超の温度の煙ガスがもたらされる。この煙ガスの排熱を利用することで、従来のＩＧＣＣプロセスより高い、例えば６００〜７００℃への蒸気過熱が可能であり、これに対応して、本発明による方法に従えばＩＧＣＣプラントの蒸気タービンプロセスの効率を著しく改善することができる。好ましいのは５５０℃超への過熱である。これにより、合成ガスには含まれていないＰＳＡオフガスによって引き起こされるガスタービンプロセスの不可避の効率損失が、少なくとも部分的に補われる。したがって本発明による教示を適用すれば、二酸化炭素の分離を組み込んだＩＧＣＣ発電の全体効率は、従来の二酸化炭素を分離しないＩＧＣＣ発電に比べてそれほど悪くはならない。
【００１１】
本発明による方法では、転換された合成ガスを二酸化炭素に富む画分および水素に富む画分に分けるため、圧力スイング吸着プラントＰＳＡ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｗｉｎｇ  ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）が用いられる。その際、転換された合成ガスは、高圧下で第１の吸着塔に流れ込む。ガスに含まれる二酸化炭素が吸着される。水素は吸着剤との相互作用を少ししか示さず、ほとんど妨げられずに第１の吸着塔を貫流する。吸着剤の吸着容量がいっぱいになると、合成ガス流を第２の吸着塔内へと迂回させる。その間に第１の吸着塔が減圧により再生され、その際、二酸化炭素が吸着剤から脱離する。減圧の際に放出されるこの気体を「ＰＳＡオフガス」と言う。供給された合成ガスに含まれる水素の一部、例えば合成ガスにより供給された水素量の１５％がＰＳＡオフガスに入り、それにより合成ガスを生成した効果が低下することは避けられない。つまり、ＰＳＡオフガスは確かに大部分が二酸化炭素から成るが、水素および一酸化炭素の部分も含んでいる。ＰＳＡオフガスは二酸化炭素含有率が高いので、従来の空気を用いた熱による燃焼には利用できない。
【００１２】
本発明による方法では、ＣＯ２に富むＰＳＡオフガスを工業用純酸素を使って燃焼させる。二酸化炭素は窒素よりモル熱容量が大きいので、純酸素を使用しても、空気を用いた化石燃料の燃焼温度にほぼ相当する燃焼温度になる。これにより、空気を使った化石燃料の燃焼のために設計された従来の炉を使用することができる。
【００１３】
酸素を使ってＰＳＡオフガスを燃焼させることで出る煙ガスは、ほぼ二酸化炭素および水蒸気だけから成る。その際、既に合成ガスを生成する際に、窒素が合成ガスに入るのを回避する場合が特に好都合なことが明らかである。このため、移送工程および掃気工程の際に、窒素の代わりに二酸化炭素を使用することが好ましい。
【００１４】
工業用純酸素を使ってＣＯ２に富むＰＳＡオフガスを燃焼させ、蒸気タービンプロセスに関する蒸気パラメータを改善するために本発明に従い排熱を利用した後、煙ガスに含まれる水蒸気は冷却されて凝結し、その後これにより純二酸化炭素画分がもたらされる。この純二酸化炭素画分は、最終貯蔵に送ることができ、または「油の増進回収法」に用いることができ、油の増進回収法では、二酸化炭素を油層内に圧入し、これにより圧力が上昇して残油が表面に押される。
【００１５】
本発明による排熱利用により、蒸気タービンプロセスを効率よく稼働し得る２００バール超の圧力の高圧蒸気を容易に発生させることができる。
【００１６】
蒸気タービンプロセスの枠内では、多段階式に形成されており、少なくとも１つの高圧部分および低圧部分を有する蒸気タービンを用いることができる。このような蒸気タービンでは、ＣＯ２に富む画分を燃焼させた際に発生する煙ガスを用いて、高圧部分からの減圧蒸気を５２０℃超、好ましくは５５０℃超の温度に中間過熱することができる。
【００１７】
本発明による方法の後には、実質的にＣＯ２から成る残留流が生じる。これに関し、生じたＣＯ２の一部分を排出させることができ、そして例えば化石燃料から合成ガスを生成する際に、燃料の搬送および／または洗浄および不活化のために用いることができる可能性がある。
【００１８】
本発明によれば、ＣＯ２に富む画分を燃焼させた際に発生する煙ガスは、蒸気タービンプロセスのために、ガスタービンの後ろに接続された排熱ボイラ内で発生した蒸気を過熱するため、および／またはより高く加圧された蒸気を発生させるために利用される。その後でまだＣＯ２に富む画分が内包している残留熱は、効率をさらに高めるため、燃焼前のＣＯ２に富む画分の予熱および／または燃焼のために供給された工業用純酸素の予熱に利用することができる。
【００１９】
純酸素を使ってＣＯ２に富むＰＳＡオフガスを燃焼させた際に放出される熱の熱利用は、蒸気を発生させるためのボイラ内で行われることが好ましい。ＰＳＡオフガスが燃焼する際の燃焼温度が必要なボイラ温度に対応していない場合、請求項６〜１３に記載の、以下に説明する複数の措置によってこれを修正することができる。
【００２０】
合成ガスのうちＣＯ転換に送る分率を介して燃焼温度を調整するのが特に好都合なことが明らかである。ボイラ温度が低すぎる場合は、合成ガスのうち転換に送る分率を減らし、これにより合成ガスのより大きな分率が、部分迂回によりＣＯ転換されずに移送される。ボイラ温度が高すぎる場合は、合成ガスのうち転換に送る分率を増やし、合成ガスのより小さな分率が、部分迂回によりＣＯ転換されずに移送される。ボイラ温度が高すぎる場合は、全部の合成ガスを転換させてもよい。
【００２１】
さらに、１段階、２段階、または３段階のＣＯ転換を実施することにより、ＣＯ転換の転化率を介して燃焼温度を調整することができる。転換反応器内の温度を変えることで転化率に影響を及ぼすことも可能である。一酸化炭素から二酸化炭素への転化率が大きければ大きいほど、酸素を使ってＰＳＡオフガスを燃焼させた際に生じる燃焼温度は低くなる。
【００２２】
燃焼温度に影響を及ぼすさらなる可能性は、酸素を使ってＰＳＡオフガスを燃焼させることで出る燃焼ガスの部分返送にある。燃焼ガスのうち燃焼に返送される分率が大きければ大きいほど、燃焼温度はより大きく低下する。
【００２３】
本発明による方法のさらなる変形形態では、ＰＳＡオフガスの燃焼による煙ガス温度が、合成ガスの供給または別の燃料ガス源からの燃料ガスの供給によって高められる。同様に、燃焼のために水素に富む画分の一部分を供給することでも、酸素によるＣＯ２に富む画分の転化温度を上げることができる。さらに、ＩＧＣＣプロセスで発生する低カロリーガスを、酸素を使ってＰＳＡオフガスを燃焼させる燃焼プロセスに供給することができる。
【００２４】
有用には、既に合成ガスを精製する際に脱硫が行われる。その際、脱硫はＣＯ転換の前または後に行うことができる。この場合、既に合成ガスを精製する際に脱硫が実施されたので、酸素を使ってＰＳＡオフガスを燃焼させた排ガスは、ほぼ二酸化炭素と水蒸気だけから成る。
【００２５】
ＣＯ２含有画分を燃焼させた際に発生する排ガスが実質的には二酸化炭素と水しか含まないようにするには、既に粗合成ガスが窒素を含まずに生成されることが好ましい。粗合成ガスを製造するために、窒素が関与しない水蒸気分解反応を用いること、または粗合成ガスを製造するための部分的な酸化の際に純酸素を使用することが有利なことが明らかである。これに加え、移送工程および掃気工程の際に、窒素の代わりに二酸化炭素を使用することが好ましい。石炭のガス化により合成ガスを製造する際に、石炭の搬送および掃気のために二酸化炭素を用いることが特に好都合なことが明らかである。
【００２６】
本発明の枠内では、合成ガスの経路内では脱硫せず、ＰＳＡオフガスを燃焼させた際に発生する煙ガスを、従来の煙ガス脱硫により脱硫してもよい。この変形形態では合成ガスが脱硫されないので、すべての硫黄成分が、ＰＳＡオフガスのほかの成分と一緒にＰＳＡオフガスに入る。ＰＳＡオフガスを燃焼させることで硫黄成分がＳＯｘに転化される。このＳＯｘ成分は、従来の煙ガス脱硫、例えば石膏生成を伴う石灰洗浄により、ＣＯ２含有排ガスから分離される。代替策として、ＰＳＡオフガスに含まれる硫黄成分を、工業用純酸素を使った燃焼の前に取り除くことも可能である。
【国際調査報告】
2013506781.tif 000002
2013506781.tif 000003
2013506781.tif 000004
2013506781.tif 000005
2013506781.tif 000006
2013506781.tif 000007