(57)【要約】      （修正有）【課題】高温流体と有機物を反応させる反応装置において、外部加熱によるコークスの局所発生と反応容器の閉塞を防止し、長期連続運転が可能な反応装置を提供する。【解決手段】反応容器１の外部に反応に用いると同じ高温流体５が流れる流路３を有し、反応容器内壁２を均等に保温する。高温流体の流路を構成するための外壁４を加熱し、高温流体を保温する。流路を通過した高温流体は反応容器内に流入し、有機物である反応物９と反応容器内で反応する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入する重質油と流入する超臨界状態または亜臨界状態の高温流体を反応させる反応容器と、この反応容器を形作る内壁を包む外壁と、前記内壁と前記外壁との間に形成され、かつ前記高温流体が流通する流路空間とを有し、この流路空間を流れる前記高温流体が反応容器に流入する高温流体流入口を設けたことを特徴とする重質油の処理装置。
【請求項２】
流入する重質油と流入する超臨界状態または亜臨界状態の高温流体を反応させる反応容器と、この反応容器を形作る内壁を包む外壁と、前記内壁と前記外壁との間に形成され、かつ前記高温流体が流通する流路空間とを有し、この流路空間を流れる前記高温流体が反応容器に流入する多数の高温流体噴射口を前記内壁に貫通するように設けたことを特徴とする重質油の処理装置。
【請求項３】
流入する重質油と流入する超臨界状態または亜臨界状態の高温流体を反応させる反応容器と、この反応容器を形作る内壁を包む外壁と、前記内壁と前記外壁との反応容器との間に形成され、かつ前記高温流体が流通する流路空間とを有し、前記反応容器には、前記重質油を流入させる反応物流入口と、前記反応で生成される生成物を排出させる排出口と、前記流路空間を流れる前記高温流体が反応容器に流入する高温流体流入口を設けることを特徴とする重質油の処理装置。
【請求項４】
流入する重質油と流入する超臨界状態または亜臨界状態の高温流体を反応させる反応容器と、この反応容器を形作る内壁を包む外壁と、前記内壁と前記外壁との反応容器との間に形成され、かつ前記高温流体が流通する流路空間とを有し、前記反応容器をほぼ円筒形状に形成し、この反応容器の一方端側には前記重質油を流入させる反応物流入口を設け、他方端側には前記反応で生成される生成物を排出させる排出口を設け、更に前記一方端側には前記反応物流入口の外周側で、かつ前記内壁の内周面近傍に吐出側が臨む高温流体流入口を設けることを特徴とする重質油の処理装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一つに記載された重質油の処理装置において、
前記外壁に前記流路空間の高温流体を加熱する加熱手段を設け、かつ加熱手段の加熱温度を調整する温度調整手段を設けたことを特徴とする重質油の処理装置。
【請求項６】
請求項２に記載された重質油の処理装置において、
前記内壁に貫通する前記高温流体噴射口は、前記反応容器の中心線に向いていることを特徴とする重質油の処理装置。
【請求項７】
請求項１に記載された重質油の処理装置において、
前記反応容器内を流れる前記高温流体と前記流路空間内を流れる前記高温流体とがほぼ平行で、かつ逆向きの流通であることを特徴とする重質油の処理装置。
【請求項８】
流入する重質油と流入する超臨界状態または亜臨界状態の高温流体を反応させる反応容器と、この反応容器を形作るほぼ円筒の内壁と、この円筒の内壁を包むほぼ円筒の外壁と、前記内壁と前記外壁との反応容器との間に形成され、かつ前記高温流体が流通する流路空間とを有し、
ほぼ円筒形状を有する前記反応容器の一方端側には前記重質油を流入させる反応物流入口を設け、他方端側には前記反応で生成される生成物を排出させる排出口を設け、
前記流路空間に流入する前記高温流体の注入口を前記排出口側寄りに設け、この注入口から流入した高温流体が流路空間を流れて前記反応容器に流入することを特徴とする重質油の処理装置。
【請求項９】
流入する重質油と流入する超臨界状態または亜臨界状態の高温流体を反応させる反応容器と、この反応容器を形作るほぼ円筒の内壁と、この円筒の内壁を包むほぼ円筒の外壁と、前記内壁と前記外壁との反応容器との間に形成され、かつ前記高温流体が流通する流路空間とを有し、
ほぼ円筒形状を有する前記反応容器の一方端側には前記重質油を流入させる反応物流入口を設け、他方端側には前記反応で生成される生成物を排出させる排出口を設け、
前記流路空間に流入する前記高温流体の注入口を前記排出口側寄りに設け、この流路空間を流れた高温流体を前記反応容器内に導く高温流体流入口を前記反応物流入口側寄りに設けたことを特徴とする重質油の処理装置。
【請求項１０】
請求項１から９の何れか一つに記載された重質油の処理装置で処理された生成物としての改質油を燃料として火力発電を行なうことを特徴とする発電システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載された発電システムであって、
ガスタービンと、このガスタービンに直結された発電機を有し、
前記改質油を燃焼させて得る高温高圧の燃焼ガスで前記ガスタービンを駆動することを特徴とする発電システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載された発電システムであって、
前記ガスタービンに直結される空気圧縮機と、前記ガスタービンの駆動に使われた後の排ガスから残っている熱を回収する排熱回収ボイラーと、前記改質油を燃焼させる燃焼器とを有し、
前記ガスタービンの駆動に供給する高温高圧の燃焼ガスは、前記空気圧縮機で圧搾した空気をも加えて前記燃焼器で発生させ、
前記重質油の処理装置に流入させる高温流体を前記排熱回収ボイラーで加熱させることを特徴とする発電システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載された発電システムにおいて、
前記重質油の処理装置から排出される生成物に含まれるコークス等の粒子を捕捉手段で捕捉することを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温蒸気改質を用いた反応装置にかかわり、特に超臨界水による重質油の改質とそれを用いた発電技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超臨界水は、温度３７４℃、圧力２２ＭＰａの臨界点を超える水の状態である。この超臨界水、あるいは臨界点近傍の亜臨界水は、誘電率が低いため、従来水に溶解しない有機物を混入することができ、また、高温で分子運動が激しい水分子を、高圧により高密度にするため、有機物を加水分解、あるいは、酸化剤の存在下で酸化分解する反応に適した、反応溶媒となる。これらの特徴を活用し、これまで超臨界水あるいは亜臨界水を用いた有機廃棄物処理、あるいは重質な燃料の改質技術が知られている。そのような超臨界水あるいは亜臨界水利用技術の中に、重質な燃料を改質、あるいはガス化して、火力発電その他に利用する燃料を生産する技術も開発されている。
【０００３】
特開平１１−８０７５０号公報（特許文献１）、特開２０００−１０９８５０号公報（特許文献２）には、前述の重質油を超臨界水あるいは亜臨界水で改質処理する方法について記載されている。
【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
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の多様な超臨界水あるいは亜臨界水による有機物反応装置に共通して、反応を行う容器内を、水の臨界点近傍、すなわち温度３００℃〜５００℃、圧力２０〜３０ＭＰａに保持する必要があることはいうまでもない。
【０００６】
このとき、反応容器の外部を保温する方法、あるいは外部より加熱して温度を保つ方法がある。外部保温は、反応容器の壁を厚くし、あるいは断熱材を設置することで、外部への放熱による温度低下を防ぐものであるが、超臨界水反応装置の高温条件は、外部との温度差が大きいため、熱遮断を十分に行うことが難しい。そのため、図５に示すように外部からの加熱による保温が必要とされる。
【０００７】
なお、反応容器１は、加熱管６を外周に備える内壁２で形成され、超臨界水である高温流体５の高温流体流入口と、改質すべき重質油（反応物）９の反応物流入口と、反応して生成された生成物１１が排出される排出口１０を有する。
【０００８】
このとき、重質油を反応させる超臨界反応装置では、コーキングの問題が発生する。炭素を含む重質油は高温環境下で、固体炭素であるコークスを発生する。これは、熱により分解された炭化水素が、再重合を繰り返すことにより、図６に示すような大分子量炭化水素となる現象である。固体炭素の発生点は、周辺雰囲気中でもっとも高温の壁面が多く、発生点を中心にコークスの塊が成長していく。
【０００９】
図７に示すように反応容器１を電熱器あるいは高温流体管のような加熱管６により外部から熱した場合、加熱管に接した壁の内面が高温点となり、この点を発生点としてコークス１５が成長していく。このようにコークスが一点より発生すると、管の内部へコークス塊が成長し、やがて管を閉塞させる。このため、長時間の運転が困難になり、頻繁に装置を停止してコークスを除去しなければならない課題があった。
【００１０】
本発明は、超臨界水あるいは亜臨界水と、重質油を反応させる重質油の処理装置において、コークスが発生する量を抑制することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流入する重質油と流入する超臨界状態または亜臨界状態の高温流体を反応させる反応容器と、この反応容器を形作る内壁を包む外壁と、前記内壁と前記外壁との間に形成され、かつ前記高温流体が流通する流路空間とを有し、この流路空間を流れる前記高温流体が反応容器に流入する高温流体流入口を設けたことを特徴とする。
【００１２】
これにより、反応容器の内壁が外側から高温流体によって一様に保温される。このため、内壁の一部が高温になることを抑制し、コークスが一点から発生することを抑制できる。このとき、流路空間を流れる高温流体の温度を、反応容器内部の高温流体とほぼ同温度にすれば、反応容器の内壁に特異な高温点の発生がより抑制することが可能である。流路空間内の高温流体を加熱する加熱手段を、保外壁に設置すれば、高温流体には重質油を含まないため、コーキングの問題は発生しない。前記加熱手段は、温度調整手段の機能をも備えている。
【００１３】
また本発明は、流路空間を流れる高温流体が高温流体流入口から反応容器に流れ込むようにしたので、高温流体の温度は反応容器内部の温度とほぼ同温度にすることが可能となり、保温流体の温度制御が容易になる。流路空間に流す高温流体と、反応容器に流す高温流体は、同じ流体であるため、高温流体を別途に供給、加熱する必要が無くなり、装置のランニングコストを低減できる。
【００１４】
さらに本発明は、流路空間を流れる高温流体が反応容器に流入する多数の高温流体噴射口を内壁に貫通するように設け、かつその高温流体噴射口が反応容器の中心線に向けられている。これにより、内壁から反応容器中心部へ向かう流れを生じるため、壁面へのコークスの付着を抑制し、あるいは壁面に発生したコークスを剥離させる効果が得られる。
【００１５】
また、亜臨界あるいは超臨界水を用いる反応装置の温度条件は３００℃から４００℃である。この３００℃から４００℃は、重質油のコーキング条件、およそ３５０℃以上と重なるため、完全にコーキングを防ぐことは困難だが、壁面に一様に薄くコークスを発生させれば、反応器１の内部を閉塞するまでの時間を長期化することが可能になる。また、壁面からコークスを剥離させる、あるいは、壁面ではなく液中にコークス粒子を発生させれば、反応容器からコークスを流出させ、後流にてフィルタ（捕捉手段）などにより捕捉することも可能となる。
【００１６】
また本発明は、重質油の処理装置で処理された生成物としての改質油を燃料として火力発電を行なうようにしたので、発電システムは長時間の連続運転が可能となった。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を用いて本発明の実施の形態を説明する。なお、本実施例は発明の具体的構成の一例を示しており、本発明全体が本実施例に限定されるものではない。
【００１８】
まず、実施例１について、図１を引用して説明する。
【００１９】
図１は本発明の反応装置の一実施例を示した。反応容器１の壁、すなわち、内壁２は、高温流体を流通するための流路空間３を設けるため外壁４に内包されている。
【００２０】
高温流体５は、流路空間３を流通し、反応容器１を外から暖める。これにより、反応容器１の熱が内壁２を介した放熱されるのを抑えるので、反応容器内の温度低下を抑制することが可能である。流路空間３を流通する高温流体５の熱が外壁４を介して放出され温度が低下することを抑制するため、外壁４の外側には加熱管６が設置されている。
【００２１】
加熱管６（温度調整手段の機能を含む）は、電熱器でもよく、また、内部を高温流体で満たした管でもよく、また、外壁４を加熱する他の方法をとっても良い。流路空間３を通過した高温流体５は高温流体流入口７を通って、反応容器１内に流入する。また、反応容器１には、反応物流入管（反応物流入口）８を通って、反応物（重質油）９が流入する。高温流体５と重質油９は反応容器１内で反応した後、排出管（排出口）１０を通って生成物１１として排出される。
【００２２】
重質油９は、酸化反応を目的として、高温流体５あるいは重質油９に酸化剤を混入された混合物、あるいは、反応容器内に酸化物を流入する別の経路を設けても良い。さらに、他の反応に寄与する添加物を、反応容器１内に流入させることも可能である。
【００２３】
流路空間３を通過する高温流体５の温度は、反応容器１内の温度を反応に適した温度に保つよう、適切な温度に制御することは有効である。このとき、反応容器１の内部温度を計測し、これを保温するに適した流路空間３内の温度が実現できるよう加熱管６の温度を制御する方法を取りうる。
【００２４】
あるいは、流路空間３に流入する高温流体５の温度を制御する方法も取りうる。また、流路空間３内の温度が過剰に高温となり、内壁２の内面温度が上昇しすぎてコークス発生量を増加させることを防ぐために、流路空間３内の温度を予め定めた上限温度内に抑制するよう、加熱管６の温度、あるいは流入する高温流体５の温度を制御することも有効である。
【００２５】
例えば、重質油９がＣ重油であり、反応容器１内温度が４５０℃の場合、内壁２の温度を５５０℃以下に抑制すると過剰なコークス発生を抑えられるため、流路３の温度は反応容器１内温度に比べ１００℃高い温度を上限とする制御が有効となる。
【００２６】
本実施例では、重質油９は反応容器１内に直接流入するため、外部から加熱されている外壁４には接しないため、加熱管６等の加熱手段で加熱される部分的な高温点よりコークスを発生することはない。内壁２は高温流体５によって均等に保温されているため、コークスが発生する量を抑制でき、発生した場合も、内壁２に均等に薄く発生するため、反応容器１の内部を閉塞するまでの時間を長期化できる。
【００２７】
また流路空間３に流す高温流体と、反応容器１に流す高温流体は、同じ流体であるため、高温流体を別途に供給、加熱する必要が無くなり、処理装置がコンパクトになり、かつランニングコストを低減できる。
【００２８】
さらに、流入する重質油と流入する超臨界状態または亜臨界状態の高温流体が反応する反応容器１は、ほぼ円筒の内壁２で形成され、この円筒の内壁２を外側から包むほぼ円筒の外壁４を有する。そして、内壁２と外壁４との間に高温流体を流通させる流路空間３を備えている。
【００２９】
円筒形状を有する反応容器１の一方端側には、重質油９を流入させる反応物流入口（反応物流入管）８を設け、他方端側には反応で生成される生成物１１を排出させる排出口（排出管）１０を設けている。
【００３０】
流路空間３に流入する高温流体５の注入口は、排出口１０側寄りに設られ、この流路空間３を流れた高温流体を前記反応容器１内に導く高温流体流入口７を反応物流入口８側寄りに設けている。
【００３１】
注入口から流路空間３に流入する高温流体５は、流路空間３の全長（全体）を流れてから高温流体流入口７を経て反応容器１に流れ込む。流路空間３を流れる高温流体５は、反応容器１の内壁２を外側から隈なく暖めるので、反応容器１の内側の温度むら（バラツキ）は生じにくいのである。
【００３２】
高温流体流入口７と反応物流入口８は、排出口１０の反対側に設けられているので、重質油９と高温流体５の混流は、反応容器１の全長に亘って行なわれる。このため、重質油９の反応作用は良く行なわれるのである。
【００３３】
反応容器１の内壁や外壁４を形成する材料は、高温／高圧に耐える丈夫な素材を必要とする。それとともに熱伝達の良好な金属材料が望ましい。
【００３４】
次に実施例２について図２を引用して説明する。
【００３５】
反応容器１が内壁２によって作られ、内壁４の外側に流路３を設けるよう外壁４が設置され、外壁４の外側から加熱管６によって高温流体５を保温する構造は、実施例１と同様である。反応物９が反応物流入管８より反応器１に流入する点も、実施例１と同様である。本実施例では、流路３を通過する高温流体５が、反応容器１内に流入する経路として、高温流体噴射口１２が、内壁２を貫通して複数個設けられている。
【００３６】
これらの高温流体噴射口１２が円筒をなす反応容器１の中心線に向くように形成されている。高温流体噴射口１２を通って、高温流体５が、反応容器１の中心方向へ噴射される。噴射された高温流体は高温流体噴射口１２の出口近傍にコークスが付着することを抑制すると共に、対向する内壁２の内側面に発生したコークスを剥離させる働きをする。剥離したコークスは、排出口１０より生成物１１と共に流出する。反応装置の後流に、剥離し流出したコークスを捕捉する粒子捕捉器を設ける構造は、もちろん取りうる。本実施例の反応装置により、反応容器内のコークス堆積を抑制し、連続運転時間を長期化できる。
【００３７】
次に、実施例３について図３を引用して説明する。
【００３８】
反応容器１が内壁２によって作られ、内壁４の外側に流路３を設けるよう外壁４が設置され、外壁４の外側から加熱管６によって高温流体５を保温する構造は、実施例１と同様である。反応物９が反応物流入管８より反応器１に流入する点も、実施例１と同様である。本実施例では、流路３を通過する高温流体５が、反応容器１内に流入する経路として、内壁保護用噴射口（高温流体流入口に相当する）１３が内壁面に沿って設けられている。これにより、内壁面の表面を高温流体が覆う流れが形成され、反応物９は反応容器１の中心部で反応し、内壁４に接触することが少なくなるため、コークスの発生を抑制することが可能となる。
【００３９】
これまで示した、実施例１から３の反応装置は、もちろん複合して実施することが可能である。
【００４０】
次に、実施例４について図４を引用して説明する。
【００４１】
本実施例では、上述した反応装置（重質油の処理装置）を用いて、超臨界水によって重質油を改質し、火力発電燃料に供するプラント構成（発電システム）を示している。ガスタービン２２から排出される高温の排ガス２４を排熱回収ボイラー２５へ送り、排熱によって水２６より超臨界水を生成する。超臨界水である高温流体５は反応装置１４へ送られ、重質油である反応物９の改質反応に用いられる。改質された油である生成物１１は燃焼器２０へ送られ、空気圧縮機１８によって圧縮された空気１９を用いて燃焼させられる。燃焼ガス２１によってガスタービン２２を運転し、発電機２３を駆動して発電する。このような火力発電プラントは、通常１年以上の長期間にわたり、連続運転するプラントである。火力発電プラントの燃料改質装置に、本発明の反応装置を適用すれば、コーキングによる反応装置の閉塞トラブルを防止し、コークス除去のためのメンテナンス休止を削減でき、超臨界水反応装置の実用化に大きく貢献できる。
【００４２】
また燃焼器２０へ送られる生成物１１に含まれるコークス等の粒子を捕捉する捕捉手段を設けることでガスタービンのメンテナンスをする期間を長くすることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明によれば、超臨界水あるいは亜臨界水と、重質油を反応させる重質油の処理装置において、コークスが発生する量を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の反応装置の一実施形態を示す図。
【図２】本発明の反応装置の他の一実施形態を示す概略図。
【図３】本発明の反応装置の他の一実施形態を示す概略図。
【図４】本発明を適用した火力発電プラントの一実施形態を示す図。
【図５】従来技術の高温流体を用いる反応装置の一例を示す図。
【図６】有機物のコーキング機構を示す図。
【図７】従来技術におけるコーキングの課題を示す図。
【符号の説明】
１…反応容器、２…内壁、３…流路、４…外壁、５…高温流体、６…加熱管、７…高温流体流入口、８…反応物流入管、９…反応物、１０…排出管、１１…生成物、１２…高温流体噴出口、１３…内壁保護用噴射口、１４…反応装置、１５…コークス、１７…空気、１８…空気圧縮機、１９…圧縮空気、２０…燃焼器、２１…燃焼ガス、２２…ガスタービン、２３…発電機、２４…排ガス、２５…排熱回収ボイラー、２６…水、２７…煙突。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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