(57)【要約】【課題】冷却プロセスから利用可能なエネルギーを可能な限り効率的に回収すること。【解決手段】合成ガスタービン（１０）は、炭化水素燃料（１４）を、少なくとも１種類の酸化剤（１６）および蒸気（１８）と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素および水素ガスを有する合成ガス（２０）を生成する燃焼器（１２）を備える。ターボ膨張器（２２）は、燃焼器（１２）と流れ連通し、合成ガス（２０）から仕事を取り出し、合成ガス（２０）を冷却する。前記仕事は、電気エネルギーを生成すること又はシステムの構成要素を付勢することの少なくとも１つに使用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料（１４）を、少なくとも１種類の酸化剤（１６）および蒸気（１８）と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素および水素ガスを有する合成ガス（２０）を生成する燃焼器（１２）と、
前記燃焼器と流れ連通し、前記合成ガス（２０）から仕事を取り出し、前記合成ガス（２０）を冷却するターボ膨張器（２２）と
を備える合成ガスタービン（１０）。
【請求項２】
前記ターボ膨張器（２２）が多段軸流タービンである、請求項１記載の合成ガスタービン（１０）。
【請求項３】
前記ターボ膨張器（２２）から取り出された前記仕事が、電気エネルギーを生成すること又はシステムの構成要素へ電力を与えることの少なくとも１つに使用される、請求項１又は２に記載の合成ガスタービン（１０）。
【請求項４】
空気から酸素を分離する空気分離ユニット（１０２）と、
燃焼器（１０６）中で変換する天然ガスを準備するガス処理ユニット（１０４）と、
前記酸素を前記天然ガスと高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素と水素ガスを有する合成ガス（１１１）を生成する燃焼器（１０６）と、
前記燃焼器（１０６）と流れ連通し、前記合成ガス（１１１）から仕事を取り出し、前記合成ガス（１１１）を冷却するターボ膨張器（１１２）と、
前記冷却合成ガス（１１６）を受け取り、前記冷却合成ガス（１１６）を長鎖炭化水素流体に触媒変換するフィッシャー・トロプシュ処理ユニット（１０８）と、
前記長鎖炭化水素流体を、少なくとも１つの有用な製品に分留するクラッキングユニット（１１０）と
を備えるガス液化システム（１００）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの有用な製品が合成ディーゼル燃料である、請求項４記載のガス液化システム（１００）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの有用な製品が、合成ケロシン、エタノール、ジメチルエーテル、ナフサ、およびそれらの化合物からなる群から選択される、請求項４記載のガス液化システム（１００）。
【請求項７】
前記ターボ膨張器（１１２）から取り出された前記仕事が、前記空気分離ユニット（１０２）によって使用される、請求項４乃至６のいずれか１項に記載のガス液化システム（１００）。
【請求項８】
前記ターボ膨張器（１１２）から取り出された仕事を電気に変換するために、前記ターボ膨張器（１１２）に機械的に結合された発電機（１１８）をさらに備える、請求項４乃至６のいずれか１項に記載のガス液化システム（１００）。
【請求項９】
燃焼器に酸化剤および炭化水素燃料を導入するステップと、
高濃度の一酸化炭素と水素ガスを有する合成ガスを生成するために、前記酸化剤と前記炭化水素燃料とを高温高圧で反応させるステップと、
前記合成ガスから仕事を取り出し、前記合成ガスを冷却するために、前記合成ガスをターボ膨張器を通して流すステップと
を含む合成ガス製造方法。
【請求項１０】
炭化水素燃料を、少なくとも１種類の酸化剤および蒸気と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素および水素ガスを有する合成ガスを生成する燃焼器（２１２）と、
前記燃焼器（２１２）に直接結合され、前記合成ガスから仕事を取り出し、前記合成ガスを冷却するターボ膨張器（２２２）と
を備える近接結合式合成ガスタービン（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に合成ガスの生成に関し、より詳細には合成ガスタービンを合成ガス生成システムに組み込むことに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、天然ガスから有用な液体燃料への変換、高濃度水素ガスの生成、およびその他のプロセスを含む様々な用途に用いる合成ガスを生成するために複合工業プラントが世界中に建設されている。これら複合工業プラントが直面する１つの課題は、これらプラントを建設するのに必要な設備投資である。さらに、これら殆どのプラントは、互いに無関係に開発された様々な化学プロセス工程を含んでおり、その結果工程間の熱力学的および物理的統合性が乏しくなっている。
【０００３】
天然ガスから液体製品への変換効率が、別の重要な技術的かつ経済的な因子である。技術的な要件は、合成ガス生成装置の出口で次のプロセスを行う前に合成ガスの温度を下げることである。この温度低減は、冷却（クエンチング）と呼ばれるが、熱エネルギーを回収して全変換効率を改善する機会を提供する。
【特許文献１】米国特許3928973号明細書
【特許文献２】米国特許4045960号明細書
【特許文献３】米国特許5935489号明細書
【特許文献４】米国特許6534551号明細書
【非特許文献１】「TURNING NATURAL GAS TO LIQUID」, オイルフィールドレビュー, 2003年, 第32-37頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、冷却プロセスから利用可能なエネルギーを可能な限り効率的に回収する必要がある。したがって、革新的手法および統合性の向上を通じてシステムの複雑さを減らすことによってガスの合成プロセスを改善する必要がある。これらシステムの全体の複雑さを改善することによって、これらプラントを建設するための設備投資が著しく低減する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
合成ガスタービンは、炭化水素燃料を、少なくとも１種類の酸化剤および蒸気と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素および水素ガスを有する合成ガスを生成する燃焼器を備える。ターボ膨張器は、燃焼器と流れ連通し、合成ガスから仕事を取り出し、合成ガスを冷却する。
【０００６】
これらおよびその他の本発明の特徴、態様、および利点は、添付図面と関連させて、以下の詳細な説明を読むとき、より良く理解されるようになろう。添付図面では、図面全体を通して、同じ参照符号は同じ部品を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
合成ガスタービン１０は、図１に示すように、炭化水素燃料１４、たとえば天然ガスを、少なくとも１種類の酸化剤１６、たとえば酸素、および蒸気１８と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を有する合成ガス２０を生成する燃焼器１２を備える。合成ガスタービン１０は、燃焼器１２と流れ連通するターボ膨張器２２をさらに備え、ターボ膨張器２２は合成ガス２０から仕事２４を取り出し、合成ガス２０を冷却して冷却合成ガス２６を生成する。一実施形態では、ターボ膨張器２２は多段軸流タービンである。別の実施形態では、ターボ膨張器２２または燃焼器１２は、蒸気または窒素によって冷却される。
【０００８】
従来の合成ガス生成は、様々な用途に一般的に利用されている。合成ガスの生成を必要とするプロセスの１つは、ガス液化（ＧＴＬ）プロセスである。世界の天然ガスの埋蔵量のかなりの割合が、大きな市場から遠すぎるためパイプラインで輸送できない。現在研究されている技術の１つが、ＧＴＬプロセスである。ＧＴＬプロセスでは、天然ガスが、液体炭化水素、たとえば液体ディーゼルに変換される。液体に変換された後は、その燃料は、貯蔵および輸送が容易になる。
【０００９】
従来のＧＴＬシステム５０は、図２に示すように、空気分離ユニット５２、ガス処理ユニット５４、ガス合成ユニット５６、フィッシャー・トロプシュ処理ユニット５８、およびクラッキングユニット６０を有する。
【００１０】
空気分離ユニット５２は、空気を窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、および他のガスに分離し、ガス処理ユニット５４は、濾過し硫黄などの不純物レベルを下げることによって、ガス合成ユニット５６で変換する原料天然ガスを準備する。空気分離ユニット５２からの酸素およびガス処理ユニット５４からの天然ガスが、ガス合成ユニット５６に導かれ、そこで酸素が、天然ガスと燃料リッチの条件下で反応して、水素ガス（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を形成する。
【００１１】
次いで、水素ガスおよび一酸化炭素は、フィッシャー・トロプシュ処理ユニット５８に導かれ、触媒を通して長鎖の液体炭化水素に再結合される。最後に、クラッキングユニット６０で、液体炭化水素は、すぐに使用することができ、容易に輸送可能で、かつ合成ディーゼル燃料、合成ケロシン、エタノール、ジメチルエーテル、ナフサ、あるいはそれらの化合物または誘導体などの製品を形成するために容易に混合することができる生成物に変換され分留される。
【００１２】
上述のように、従来のＧＴＬシステムの問題の１つは、それらが複雑で、非効率で、極めて大きな設置面積を有することである。下記の本発明の実施形態で、合成ガス製造システム、特にＧＴＬシステム用として、合成ガス生成プロセス全体の複雑さを低減し、これらのプロセスの作動効率を向上し、かつ、格段に簡素で小さな全体設置面積を実現するシステムについて述べる。これらの改良は、合成ガスプロセシング、特にＧＴＬプロセシングの魅力を強化する。
【００１３】
合成ガスタービン１０は、図３に示すように、炭化水素燃料１４、たとえば天然ガスを、少なくとも１種類の酸化剤１６および蒸気１８と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を有する合成ガス２０を生成する燃焼器１２を備える。合成ガスタービン１０は、燃焼器１２と流れ連通するターボ膨張器２２をさらに備え、ターボ膨張器２２は合成ガス２０から仕事２４を取り出し、合成ガス２０を冷却して冷却合成ガス２６を生成する。上述のように、合成ガスに対する技術的要件は、生成された合成ガスの温度を、次のプロセス前に、たとえば約２０００°Ｆから約５００°Ｆに下げなければならないことである。従来、合成ガスは、水を沸騰させて蒸気を発生させるボイラで熱を取り除くことによって冷却してきた。さらに、合成ガス流れの中に水または蒸気を導いて、温度を低下させることもできる。従来の合成ガス生成装置では、比較的滞留時間が長く、生成物に固形炭素が含まれている。固形炭素を除去するために、合成ガスは、次のプロセス前に気泡として水中を通される。対照的に、合成ガスタービン１０では、合成ガスの出口温度が、入口温度、タービン圧力比、タービン効率、および冷却または希釈で定まり、効率的、効果的な冷却プロセスになる。さらに、滞留時間が短いので、固形炭素の形成が最低限に抑えられる。
【００１４】
一実施形態では、ターボ膨張器２２は空気圧縮機２８に結合されている。ターボ膨張器２２によって生成された仕事２４は、機械的に、たとえばシャフト２９を通って、空気圧縮機２８に伝達される。空気圧縮機２８は、入口３０を介して流入する空気を圧縮し、出口３２を通して圧縮空気を送り出す。圧縮空気は、燃焼器１２に供給される酸化剤１６を生成するために空気分離ユニット（図示せず）に供給される流れなどを含む、様々な形で使用することができる。図３に示されるように、燃焼器１２に供給される入口流れ（１４、１６、１８）は、再利用テールガス３４をさらに含むこともあり、テールガス３４は、下流源から回収された燃料含有ガスを含む。通常、必ずしもではないが、ＧＴＬ用途では、テールガスはフィッシャー・トロプシュ処理ユニットからの気相生成物である。極めて大きなフィッシャー・トロプシュ処理ユニットであれば、全ての反応物を使い尽くすかもしれないが、実際のシステムでは、反応器の大きさが限られている。したがって、通常、回収利用できる反応物が一部分存在する。
【００１５】
合成ガスタービン１０は、図４に示すように、炭化水素燃料１４を、少なくとも１種類の酸化剤１６および蒸気１８と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を有する合成ガス２０を生成する燃焼器１２を備える。合成ガスタービン１０は、燃焼器１２と流れ連通するターボ膨張器２２をさらに備え、ターボ膨張器２２は合成ガス２０から仕事２４を取り出し、合成ガス２０を冷却する。一実施形態では、ターボ膨張器２２は、通常はシャフト４０を介して発電機３６に結合されている。ターボ膨張器２２で生成された仕事２４は、シャフト４０を介して発電機３６へ機械的に伝達される。発電機３６は、シャフト４０を通って供給された機械的エネルギーを電気４２に変換する。発電された電気４２は、様々な形で使用することができる。図４に示されるように、燃焼器１２に供給される入口流れは、再利用テールガス３４をさらに含むこともあり、テールガス３４は、下流源から回収された燃料含有ガスを含む。
【００１６】
合成ガスタービン１０は、図５に示すように、炭化水素燃料１４を、少なくとも１種類の酸化剤１６および蒸気１８と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を有する合成ガス２０を生成する燃焼器１２を備える。合成ガスタービン１０は、燃焼器１２と流れ連通するターボ膨張器２２をさらに備え、ターボ膨張器２２は合成ガス２０から仕事２４を取り出し、合成ガス２０を冷却する。一実施形態では、ターボ膨張器２２は、通常はシャフト４０を介して発電機３６に、また通常はシャフト２９を介して空気圧縮機２８に結合されている。ターボ膨張器２２によって生成された仕事２４は、シャフト４０を通して発電機３６へ、またシャフト２９を通して空気圧縮機２８へ機械的に伝達される。発電機３６は、シャフト４０を通して供給された機械的エネルギーを電気４２に変換する。発電された電気４２は、様々な形で使用することができる。空気圧縮機２８は、入口３０を介して流入する空気流を圧縮し、出口３２を通して圧縮空気を送り出す。圧縮空気は、燃焼器１２に供給される酸化剤１６を生成するために空気分離ユニット（図示せず）中へ供給するなどを含む、様々な形で使用することができる。ターボ膨張器２２から取り出された仕事２４は、シャフト２９またはシャフト４０のいずれかに専用させることもできるし、あるいは、仕事２４を、シャフト２９および４０間で分配することもできる。一実施形態では、シャフト２９とシャフト４０は、ターボ膨張器２２によって生成された仕事２４を空気圧縮機２８と発電機３６の両方に機械的に伝達する単一のシャフトに結合されている。
【００１７】
ＧＴＬシステム１００は、図６に示すように、空気分離ユニット１０２、ガス処理ユニット１０４、燃焼器１０６、フィッシャー・トロプシュ処理ユニット１０８、クラッキングユニット１１０、およびターボ膨張器１１２を有する。
【００１８】
空気分離ユニット１０２は、空気を窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、およびその他のガスに分離し、ガス処理ユニット１０４は、燃焼器１０６で変換する天然ガスを準備する。空気分離ユニット１０２からの酸素およびガス処理ユニット１０４からの天然ガスは、燃焼器１０６に導かれ、そこで天然ガスと酸素を高温高圧で反応させて、高濃度のＣＯおよびＨ２を有する合成ガス１１１を生成する。合成ガス１１１は、合成ガスから仕事１１４を取り出し、かつ合成ガスを冷却して冷却合成ガス１１６を生成するために、燃焼器１０６と流れ連通するターボ膨張器１１２に導かれる。
【００１９】
次いで、高濃度の水素ガスおよび一酸化炭素を有する冷却合成ガス１１６は、フィッシャー・トロプシュ処理ユニット１０８に導かれ、そこで触媒を通って水素ガスと一酸化炭素ガスが長鎖の液体炭化水素に再結合される。最後に、クラッキングユニット１１０で、液体炭化水素は、すぐに使用することができ、容易に輸送可能で、かつ合成ディーゼル燃料、合成ケロシン、エタノール、ジメチルエーテル、ナフサ、およびそれらの化合物または誘導体などの製品を形成するために用いることができる生成物に変換され分留される。
【００２０】
一実施形態では、ターボ膨張器１１２は、通常はシャフト１２０を介して発電機１１８に結合されている。ターボ膨張器１１２で生成された仕事１１４は、シャフト１２０を介して発電機１１８へ機械的に伝達される。発電機１１８は、シャフト１２０を通して供給された機械的エネルギーを電気１２２に変換する。発電された電気１２２は、様々な形で使用することができる。一実施形態では、ターボ膨張器１１２は多段軸流タービンである。別の実施形態では、ターボ膨張器１１２または燃焼器１０６は、蒸気または窒素によって冷却される。さらに別の実施形態では、ターボ膨張器１１２または燃焼器１０６が、空気分離ユニット１０２によって生成された窒素（Ｎ２）によって冷却される。燃焼器１０６に供給される入口流れは、再利用テールガス１３８をさらに含むこともあり、テールガス１３８は、下流源から回収された燃料含有ガスを含む。通常、必ずしもではないが、テールガス１３８はフィッシャー・トロプシュ処理ユニット１０８からの気相生成物である。
【００２１】
図７は、ターボ膨張器１１２に結合された空気圧縮機１２８をさらに含むことを除けば、図６に関して記述したＧＴＬシステムと同様なＧＴＬシステムを示す。ターボ膨張器１１２によって生成された仕事１３４は、機械的に、たとえばシャフト１３６を通って、空気圧縮機１２８に伝達される。空気圧縮機１２８は、入口１３０を介して流入する空気を圧縮し、出口１３２を通して圧縮空気を送り出す。圧縮空気は、燃焼器１０６に供給される酸化剤を生成するために空気分離ユニット１０２に供給される流れなどを含む、様々な形で使用することができる。燃焼器１０６に供給される入口流れは、再利用テールガス１３８をさらに含むこともあり、テールガス１３８は、下流源から回収された燃料含有ガスを含む。通常、必ずしもではないが、テールガス１３８はフィッシャー・トロプシュ処理ユニット１０８からの気相生成物である。
【００２２】
本発明の別の実施形態によれば、図８〜１１は、図１〜７に関して記載された各システム中に置き換えることができる一連の近接結合式合成ガスタービンを示す。これら近接結合式合成ガスタービン構成は、以下に記述するように、合成ガス生成プロセシング設備、たとえばＧＴＬプロセシング設備の物理的設置面積を格段に小さくすることを可能にし、近接結合式合成ガスタービン構成は、設計がより簡素で、構成要素間に必要な配管、冷却、結合、および封止がより少なく、それによってシステム全体の複雑さが低減し、燃焼器とタービンとが密接しているので、これら構成要素間の圧力損失が著しく減少し、それによって全プロセス効率が向上する。
【００２３】
近接結合式合成ガスタービン２００は、図８に示すように、炭化水素燃料１４を、少なくとも１種類の酸化剤１６および蒸気１８と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を有する合成ガス２０を生成する燃焼器２１２を備える。合成ガスタービン２００は、燃焼器２１２と流れ連通する直接結合されたターボ膨張器２２２をさらに備え、ターボ膨張器２２２は合成ガス２０から仕事２４を取り出し、合成ガス２０を冷却して冷却合成ガス２６を生成する。
【００２４】
近接結合式合成ガスタービン３００は、図９に示すように、炭化水素燃料１４を、少なくとも１種類の酸化剤１６および蒸気１８と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を有する合成ガス２０を生成する環状缶型燃焼器３１２を備える。合成ガスタービン３００は、環状缶型燃焼器３１２に直接結合され、それと流れ連通しているターボ膨張器３２２をさらに備え、ターボ膨張器３２２は合成ガス２０から仕事２４を取り出し、合成ガス２０を冷却して冷却合成ガス２６を生成する。
【００２５】
近接結合式合成ガスタービン４００は、図１０に示すように、炭化水素燃料１４を、少なくとも１種類の酸化剤１６および蒸気１８と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を有する合成ガス２０を生成する環状缶型燃焼器４１２を備える。合成ガスタービン４００は、環状缶型燃焼器４１２と流れ連通しているターボ膨張器４２２をさらに備え、ターボ膨張器４２２は合成ガス２０から仕事２４を取り出し、合成ガス２０を冷却して冷却合成ガス２６を生成する。移行部４５０が、環状缶型燃焼器に第１の端部４５２で直接結合され、反対側の端部４５４でターボ膨張器４２２に直接結合されている。
【００２６】
近接結合式合成ガスタービン５００は、図１１に示すように、炭化水素燃料１４を、少なくとも１種類の酸化剤１６および蒸気１８と、高温高圧で反応させて、高濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を有する合成ガス２０を生成する燃焼器５１２を備える。合成ガスタービン５００は、燃焼器５１２と流れ連通しているターボ膨張器５２２をさらに備え、ターボ膨張器５２２は合成ガス２０から仕事２４を取り出し、合成ガス２０を冷却して冷却合成ガス２６を生成する。移行部５５０が、燃焼器５１２に第１の端部５５２で直接結合され、反対側の端部５５４でターボ膨張器５２２に直接結合されている。
【００２７】
本発明のいくつかの特徴のみを本明細書に例示し記載したが、当業者は多くの修正および変更を思い付くであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのような全ての修正および変更を本発明の真の精神に含まれるものとして包含するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態の概略図である。
【図２】代表的なガス液化システムの概略図である。
【図３】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図４】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図７】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図８】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図９】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図９ａ】図９の燃焼器の断面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態の概略図である。
【図１０ａ】図１０の燃焼器の断面図である。
【図１１】本発明の別の実施形態の概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  合成ガスタービン
１２  燃焼器
１４  炭化水素燃料
１６  酸化剤
１８  蒸気
２０  合成ガス
２２  ターボ膨張器
２４  仕事
２６  冷却合成ガス
２８  空気圧縮機
２９  シャフト
３０  入口
３２  出口
３４  再利用テールガス
３６  発電機
４０  シャフト
４２  電気
５０  ＧＴＬシステム
５２  空気分離ユニット
５４  ガス処理ユニット
５６  ガス合成ユニット
５８  フィッシャー・トロプシュ処理ユニット
６０  クラッキングユニット
１００  ＧＴＬシステム
１０２  空気分離ユニット
１０４  ガス処理ユニット
１０６  燃焼器
１０８  フィッシャー・トロプシュ処理ユニット
１１０  クラッキングユニット
１１１  合成ガス
１１２  ターボ膨張器
１１４  仕事
１１６  冷却合成ガス
１１８  発電機
１２０  シャフト
１２２  電気
１２８  空気圧縮機
１３４  仕事
１３６  シャフト
１３８  テールガス
２００  近接結合式合成ガスタービン
２１２  燃焼器
２２２  ターボ膨張器
３００  近接結合式合成ガスタービン
３１２  環状缶型燃焼器
３２２  ターボ膨張器
４００  近接結合式合成ガスタービン
４１２  環状缶型燃焼器
４２２  ターボ膨張器
４５０  移行部
４５２  第１の端部
４５４  反対側の端部
５００  近接結合式合成ガスタービン
５１２  燃焼器
５２２  ターボ膨張器
５５０  移行部
５５２  第１の端部
５５４  反対側の端部
【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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【図８】
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【図９】
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【図９ａ】
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【図１０】
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【図１０ａ】
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【図１１】
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