(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮工程、燃料ガス燃焼工程、および回転発電機内で機械的な出力を与える膨張工程からなるガスタービンサイクルで電力を発生する方法において、
酸性ゼオライト、アルミナシリケート、シリカアルミナそしてアルミナのジメチルエーテル分解触媒及びメタノール分解触媒から成る触媒組成物と接触させることにより、ジメチルエーテルから成る一次燃料を水と共に、水素およびまたは一酸化炭素から成るガスに吸熱触媒変換することによって、膨張工程からの排気ガスに含まれる熱を回収し、そして少なくとも水素および／または一酸化炭素の一部から成るガスを燃焼ガス燃焼工程の燃料ガスとして使用することを特徴とする方法。
【請求項２】
熱交換により予熱された一次燃料が触媒変換する前に排気ガスと熱交換することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
膨張工程は膨張機の間の予熱機を伴う二つまたはそれ以上の膨張機で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力の発生、特に化学的に回収するガスタービンのサイクル中の改良された電力発生に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンを使用することはこの十年で特に増大している。特に、電力発生に付いて、空気圧縮機、高圧バーナーおよびガスタービンの組み合わせは益々重要に成っている。これ等のユニットは、化学的な応用や加熱目的であれ、機械的な出力あるいは電気的な出力の形にしてエネルギ、および蒸気の形にして熱を供給するためにしばしば使用されている。
【０００３】
ガスタービンで使用される典型的な燃料は、天然ガスあるいはガス状燃料、通常、一次化石燃料をガス化して、あるいは液体燃料を気化させて形成される石油の分解物である。
最近の発展は、バーナーの動作圧力の増大をもたらす全効率、バーナー設計の改良、およびガスタービンへの入口の温度の上昇を改善することに集中している。ガスタービンを可能な限り高い温度で動作させ熱力学的な利得を実現させて、再加熱処理が導入されている。ここでは膨張が二段で行われ、ガスがこれ等の二段の工程の間で燃料の一部を添加して再加熱される。
【０００４】
ガスタービンに基づく電力プラントの最初の構想は一サイクル処理で、ここでは全ての空気を全ての燃料と共に燃やし、一回で膨張させる。数年にわたる改良により、この処理方法は、最近の構想で、現在、使用する全燃料の低い熱量に関連する電気エネルギの量として計算された 35 ％〜 40 ％の間の全熱効率になっている。この効率は、化石燃料で動作するプラントの大抵の蒸気ボイラーやスチームタービンで達成されるものよりかなり低い。
【０００５】
この低効率は、主として 400〜 800℃の範囲の高温でタービンから出てゆく排気ガスの高エネルギのためである。従って、排気ガスの潜熱として現在エネルギを回収させる試みが成されている。最近、余熱するか、独立した電力サイクルで使用する、あるいは通常の蒸気タービンの出力と熱発生の高圧蒸気に変換して過剰な熱を使用することに基づく幾つかの処理が導入されている。ガスと蒸気を組み合わせたサイクルは全エネルギ効率を 45 〜 50 ％に改善している。
【０００６】
組み合わせサイクルプラントに再加熱を導入する他の処理方法で、 60 ％に近い全エネルギ効率を得ることができる。この結果は、最近技術的に達成できるボーダーラインの近くで動作する全く複雑な設備を備えた得られる。
更に、吸熱化学処理を導入してガスタービンからの排気ガスの熱量を回収するこおも考えられている。炭化水素、つまり天然ガスあるいは蒸留したものを吸熱変換に必要な熱と蒸気を供給し、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに炭化水素を一部変換し、次いで蒸気の再生処理から生じるガスをガスタービンの上流のバーナーの燃料として使用することを提案している。
【０００７】
化学的な回収を利用することは多くの理由により困難である。化学回収の主要な欠点としては、熱を 500℃の範囲内の或る温度以下で使用することが不可能であるか、あるいはデンマーク特許第 0070/95号明細書に開示するように、蒸気再生装置を水素分離処理と組み合わせた時のみこの処理方法を使用できる。
【０００８】
この発明の主要な課題は、一次燃料としてジメチルエーテル（DME）を使用して、ガスタービンからの排気の熱量を回収するため、安価で効率の良い処理方法を提供することにある。
【０００９】
上記の課題は、この発明により、空気圧縮工程、燃料ガス燃焼工程、および回転発電機内で機械的な出力を与える膨張工程からなるガスタービンサイクルで電力を発生する方法にあって、酸性ゼオライト、アルミナシリケート、シリカアルミナそしてアルミナのジメチルエーテル分解触媒及びメタノール分解触媒から成る触媒組成物と接触させることにより、ジメチルエーテルから成る一次燃料を水と共に、水素およびまたは一酸化炭素から成るガスに吸熱触媒変換することによって、膨張工程からの排気ガスに含まれる熱を回収し、そして
少なくとも水素および／または一酸化炭素の一部から成るガスを燃焼ガス燃焼工程の燃料ガスとして使用することによって解決される。
【００１０】
この発明による他の有利な構成は、特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
DME は、米国特許第 4,417,000号明細書およびドイツ特許第 4,222,655号明細書に開示されているように、天然ガスあるいは他の化石燃料から直接取り出せる。
この発明は DMEあるいはメタノールの供給能力を使用して熱を吸収し、水蒸気を伴う供給物を主燃料成分として水素、 CO およびメタンを含むガスに変換して200 〜 225℃のような低い温度にする。この変換反応は、反応塔内に配置され、膨張工程でガスタービンからの高温の排気ガスによって加熱される一つまたはそれ以上の触媒の存在の下に行われる。
【００１２】
DME あるいはメタノール（MeOH) をガスタービン燃料に変換することは、下記の化学反応、
CH3OCH3＋ H2O  ⇔ 2CH3OH    (1)
CH3OH ＋ H2O  ⇔ CO2＋ 3H2   (2)
CO2 ＋ H2 ⇔ CO ＋ H2O        (3)
によって行われる。
【００１３】
上記の反応を低温で触媒作用を及ぼす触媒は、酸性ゼオライト、アルミナシリケート、シリカアルミナおよび、デンマーク特許第 0852/95号明細書に開示するように、Cu-Zn アルミナを基礎にした通常のメタノール分解触媒を物理的に混ぜたアルミナである。
この処理方法は、低温であるため魅力的であり、この温度でDME あるいは MeOH が熱を吸収し、ガスタービンの前で放出される化学エネルギに変換する。全エネルギ収支は500〜800℃の範囲の排気温度を与える単純な一回通過ガスタービンを使用して達成される。そして、高い全エネルギ効率は再加熱することなく得られるので、プラント設備を単純にする。DME/MeOHと水の処理供給は、予備加熱と気化を通して、例えば250℃でDME/MeOH変換機を離れる排気ガスの残留熱量を利用し、それ故、排気ガスの熱量を 100℃以下の非常に低い燃料ガス温度へ有利に変換する。
【００１４】
水とDME および／または MeOH の間の比は広い限界内で変化するので、専ら最適な全エネルギ効率に基づき決定される。最適効率は範囲が 2:1から 20:1 の典型的に蒸気とDME/MeOHとの間の低い比を要求する。反応塔は通常のタイプで、チューブの周りを流れる排気ガスを伴う反応塔と、触媒を満たしたチューブを通過する処理ガスを有する。
【００１５】
二つまたはそれ以上の触媒を利用すると好ましい。これは、前に述べたような約 200℃の温度まで高い活性度を維持する低温触媒と、この低温触媒に許されるより高い温度に曝される高温触媒、例えばアルミナである。高温触媒は、主にDME および／または MeOH の変換を完全にするために使用される。
処理方法にDME および／または MeOH を入れることは、水と一緒に行われる。この混合物は予備加熱され、気化されるので、蒸気を別々に気化させる場合には、要求される高圧で、かつ要求されるよりもかなり低い温度で、蒸気とDME/MeOHの気化混合物を完全に気化させることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、図面を参照して以下の実施例でこの発明をより詳しく説明する。
図１に示す条件で動作させると、通常の単一サイクル・プラントで得られるものよりは少なくとも 20 ％より高い、 48 ％の全エネルギ効率を得ることができる。
【００１７】
このプラントは、本出願人であるハルドール・トプサー・アクチエゼルスガベット（Haldor Topsoe A/S)デンマークから商業的に入手できる ZSM-5と Cu-Znアルミナ・メタノール分解触媒との触媒混合物を含む触媒管４を備えた改良反応塔２で構成されている。
燃焼室８は反応塔２に接続している。燃焼室８は、反応塔２内でDME 改良して得られる燃料ガスを含む水素と一酸化炭素を燃やして、高温のガスをガスタービン１０に送る。ガスタービン１０のシャフトに接続する空気圧縮機１２からの圧搾空気で燃料を燃焼させる。更に、ガスタービン１０は、電気エネルギを発生する回転発電機１４にシャフトで接続している。
【００１８】
上記のガスタービンサイクルを動作させるのに、 H2O : DMEのモル比が 14.5 : 1 の H2Oと DMEの 94101 Nm3/hの供給ガスは、以下に更に説明するように反応塔２で 308℃の温度に冷却されたガスタービン排気ガス２０と間接的に熱交換して予熱機１６で 196℃の温度に予熱される。予熱された供給ガスは、温度 771℃の温度でタービン１０を出て、450 ℃の温度に冷却される高温のタービン排気ガス１８と間接的に熱交換して、予熱機１７中で 300℃に加熱される。
【００１９】
次いで、予熱されたガスは 300℃で改良反応塔４に導入される。この反応塔４では、上記触媒混合物と接触してガスが 35.052 モル％の水素、59.22 モル％の水、10.01 モル％の二酸化炭素および 0.25 モル％の一酸化炭素の成分を有する水素を多量に含む燃料ガス２２に改善される。反応塔の管４中で進行する吸熱改善反応は反応塔２の管４のシェル側に 450℃の温度で導入されている排気ガス１８から供給される熱によって維持される。熱を改良反応塔へ供給すると、排気ガスは反応塔２から 309℃の温度の冷えた排気ガス２０として引き出され、上に説明したように反応塔２への供給ガスを予熱するために使用される。
【００２０】
燃料ガス２２は反応塔の出口の 350℃の温度と 118,385 Nm3/hの流量で燃焼室８に案内され、 16 気圧の圧力で、420 ℃の温度と 137921 Nm3/h の流量で圧縮機１２から供給される空気２４と共に燃焼する。燃焼室８からの燃焼ガス２６は 1350 ℃の温度、 16 気圧の圧力と 238,094 Nm3/hの流量でガスタービン１０に導入される。このガスは膨張して大気圧となるので、発電機１４の電気エネルギに変換される回転エネルギを提供する。
【００２１】
上記の条件では、供給ガス中のエネルギ量は 100 MW であった。これはガスタービンサイクルで 48 ％のサイクル効率に相当する 48 MWの電気出力に変換された。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による方法を用いると、一次燃料としてヂメチルエーテル（DME)および／またはメタノールを使用してガスタービンからの排気の熱量を回収するのに、安価で効率が良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  DME に基づく単一サイクルで単一熱ターボ出力プラントに対する単純化された処理方法の図示を示す。
【符号の説明】
２          改良反応塔
４          触媒管
８          燃焼室
１０          ガスタービン
１２          空気圧縮機
１４          回転発電機
１６          予熱機
１７          予熱機
１８          高温のタービン排気ガス
２０          タービン排気ガス
２２          燃料ガス
２４          空気
２６          燃焼ガス
【図１】
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