(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料炭化水素と酸素とを高温で反応させて主として一酸化炭素と水素とからなる混合ガスを発生させる燃焼器を備えたガス発生装置であって、上記燃焼器に連設され上記燃焼器を出た気流によって駆動されるタービンを備え、このタービンで発生した動力を有効出力として利用するようになっていることを特徴とするガス発生装置。
【請求項２】
燃焼器中に水および水蒸気の少なくともいずれかを導入するようになっている請求項１記載のガス発生装置。
【請求項３】
燃焼器中およびタービン入口の少なくともいずれかに、水および水蒸気の少なくともいずれかを導入することにより、タービン入口での気流の温度を制御するようになっている請求項２記載のガス発生装置。
【請求項４】
燃焼器中およびタービン入口の少なくともいずれかに、水および水蒸気の少なくともいずれかを導入することにより、タービン出口での気流の温度を制御するようになっている請求項２記載のガス発生装置。
【請求項５】
燃焼器で発生しタービンを出た混合ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素と二酸化炭素にシフト転換反応させるシフト転換器を備え、燃焼器を出た気流中の水蒸気をシフト転換反応に供するようになっている請求項２〜４のいずれか一項に記載のガス発生装置。
【請求項６】
燃焼器中に水および水蒸気の少なくともいずれかを導入することにより、タービン出口の気流が飽和水蒸気を含むようになっている請求項５記載のガス発生装置。
【請求項７】
シフト転換器の出口の気流の組成によって、燃焼器中に導入する水および水蒸気の少なくともいずれかの量を調節するようになっている請求項５または６記載のガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部分酸化法により、炭化水素と酸素等から水素と一酸化炭素の混合ガスを発生させるガス発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、水素製造法としては、水電解法や石炭ガス化法とならんで、水蒸気改質法による水素製造が行われてきた。水蒸気改質法は、天然ガス，ＬＰＧ，ナフサ等の炭化水素を原料とした水蒸気改質反応が行われる。ところが、上記水蒸気改質法では、原料の一部を加熱用燃料としなければならず、この燃焼によって生じるＮＯx ，ＳＯx 等の除去装置を設置しなければならない。また、あらかじめ原料の脱硫が必要で、イオウ分を多く含む重質油が使用できず、比較的高価なナフサ級軽質油までしか使用できないという問題がある。
【０００３】
そこで、廉価な重質油を原料として使用できる方法として、部分酸化法による水素製造法が行われている。部分酸化反応は、その完全燃焼に必要な酸素量の３０〜４０％に相当する量の酸素により高温で燃焼させ、下記の式（１）の反応により、Ｈ2 とＣＯの混合ガスを発生させる。そして、Ｈ2 ガスを製造する場合には、上記混合ガスを、ＣＯシフト転換器によるシフト転換反応させたのち、ＣＯ2 吸収除去およびＰＳＡ法による不純物除去の各精製プロセスを経て水素が製造される。
【０００４】
【化１】
Ｃn Ｈm ＋（ｎ／２）Ｏ2 →ｎＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ2 …（１）
【０００５】
上記部分酸化法を利用して水素等を製造するガス発生装置は、図７に示すように、燃焼器４０と、ＣＯシフト転換器４１と、高圧ボイラ４２とを備えている。そして、導入路４３から原料炭化水素，スチーム，酸素を燃焼器４０に導入し、１１００〜１３００℃の高温で燃焼，反応させ、発生した混合ガスを高圧ボイラ４２で冷却する。つぎに、ＣＯシフト転換器４１で、混合ガス中のＣＯを、スチーム導入路４４から導入されるスチームと反応させてＨ2 とＣＯ2 にシフト転換させる。そして、燃焼器４０で発生した熱を、高圧ボイラ４２で高圧スチームを製造し、動力として回収する場合はスチームタービン４５で発電機を駆動し、電力に変換している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記部分酸化法は、部分酸化反応が発熱反応であるため、その冷却に大規模な高圧ボイラ４２およびスチームタービン４５が必要である。一般に、数万ｍ3 ／ｈの水素を発生させる設備になると、この高圧ボイラ４２は、直径４〜５ｍ、高さ２０〜３０ｍにもなる。このため、装置自体が非常に大規模なものになり、設備コストや建設コスト等イニシャルコストも非常に高くなるうえ、トラブルの頻度も高くなる。また、設備の移設や将来のガス発生量の増大等には対応することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、設備が小形化するとともにイニシャルコストも安く、しかも設備の移設や将来のガス発生量の増大に簡単に対応できるガス発生装置を提供することをその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のガス発生装置は、原料炭化水素と酸素とを高温で反応させて主として一酸化炭素と水素とからなる混合ガスを発生させる燃焼器を備えたガス発生装置であって、上記燃焼器に連設され上記燃焼器を出た気流によって駆動されるタービンを備え、このタービンで発生した動力を有効出力として利用するようになっていることを要旨とする。
【０００９】
すなわち、本発明のガス発生装置は、燃焼器を出た気流によって駆動されるタービンを備え、このタービンで発生した動力を有効出力として利用するようになっている。したがって、タービン出口での混合ガスの温度は、燃焼器内の温度よりも低下するため、従来、発生ガスを冷却し動力として回収するために必要となっていた大形の高圧ボイラや大容量のスチームタービンが不要になる。これにより、設備の小形化とイニシャルコストの低減が図れるだけでなく、設備の移設や将来のガス発生量の増大にも対応できるようになる。そして、タービンから排出されるガスから水素ガス，一酸化炭素ガス等を取り出すとともに、タ─ビンで発生する動力を電力等の有効出力として利用することができるのである。また、タービンで得られた有効出力を、各種の動力として有効利用することにより、電力費等のランニングコスト面で有利である。なお、本発明において部分酸化反応に供する酸素は、純酸素として供給してもよいし、空気を供給して空気中の酸素と部分酸化反応させるようにしてもよい。
【００１０】
本発明では、燃焼器とタービンが連設されているため、燃焼器から出た気流が直接タービンを回すため、気流のロスがほとんどなく効率がよい。また、設備が小形ですみ、移設や増設等も容易になる。
【００１１】
また、本発明において、燃焼器中に水および水蒸気の少なくともいずれかを導入するようになっている場合には、燃焼器中に導入される水もしくは水蒸気によって、燃焼器内の気流の温度が適正に制御される。
【００１２】
また、本発明において、燃焼器中およびタービン入口の少なくともいずれかに、水および水蒸気の少なくともいずれかを導入することにより、タービン入口での気流の温度を制御するようになっている場合には、タービンに導入される気流の温度が適正に制御され、タービンにかかる熱負荷が少なくなり、タービンの寿命が向上する。
【００１３】
また、本発明において、燃焼器中およびタービン入口の少なくともいずれかに、水および水蒸気の少なくともいずれかを導入することにより、タービン出口での気流の温度を制御するようになっている場合には、タービン内の温度が適正に制御され、タービンにかかる熱負荷が少なくなり、タービンの寿命が向上する。
【００１４】
また、本発明において、燃焼器で発生しタービンから排出された混合ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素と二酸化炭素にシフト転換反応させるシフト転換器を備え、燃焼器を出た気流中の水蒸気をシフト転換反応に供するようになっている場合には、燃焼器を出た気流中の水蒸気によって、必要な水蒸気の一部または全部をシフト転換反応に供することができるとともに、適切なシフト転換反応温度にタービン出口の気流の温度を低下させることができる。
【００１５】
また、本発明において、燃焼器中に水および水蒸気の少なくともいずれかを導入することにより、タービン出口の気流が飽和水蒸気を含むようになっている場合には、シフト転換反応に必要な温度にタービン出口の気流の温度を低下させることができるとともに、ＣＯシフト転換反応用の水蒸気を、燃焼器を出た気流中の水蒸気でまかなうことができる。
【００１６】
また、本発明において、シフト転換器の出口の気流の組成によって、燃焼器中に導入する水および水蒸気の少なくともいずれかの量を調節するようになっている場合には、ＣＯシフト転換器から出た気流のガス組成によりＣＯシフト転換反応に供する水蒸気の量を適切に制御することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。図において、３は燃焼器であり、酸素製造装置１で製造されたＯ2 ガスを酸素供給路１２を通じて供給を受けるとともに、燃料タンク８から燃料供給路１４を通じて原料炭化水素の供給を受ける。この燃焼器３は、原料炭化水素とＯ2 ガスとを噴射させ燃焼させる燃焼部２と、この燃焼部２で発生した高温高圧のガスを整流させる整流部７とからなる。そして、この燃焼器３には、燃焼器３から排出される気流で駆動されるタービン５が連設されている。
【００１９】
上記整流部７には、水を導入する水導入管１５が設けられている。この水導入管１５は複数に分岐し、それぞれの先端部には、水を注入する複数のノズル９，１０が設けられている。燃焼部２側に第１ノズル９が配設され、必要に応じて上記第１ノズル９から水を注入させることにより燃焼温度を適正な温度範囲に制御するようになっている。
【００２０】
また、上記整流部７のタービン５側に第２ノズル１０が配設され、この第２ノズル１０から水を注入させることにより、必要に応じてタービン５の入口での気流の温度を制御するとともに、タービン内（主としてブレード）の洗浄をするようになっている。そして、この燃焼器３内で、上記原料炭化水素とＯ2 ガスとを高温で部分酸化反応させ、上記式（１）の反応により、主としてＣＯとＨ2 とからなる混合ガスを発生させる。なお、上記第１および第２ノズル９，１０は、必要に応じて設ければよく、特に必要がなければなくてもよい。１３ａはタービン５から出た混合ガスを水蒸気とともに取り出すガス取出路である。
【００２１】
そして、上記タービン５には、タービン５の回転によって駆動される発電機６が接続され、タービン５で発生した動力を電力に換え、有効出力として利用するようになっている。
【００２２】
上記ガス発生装置は、例えばつぎのようにして用いられる。
【００２３】
まず、酸素製造装置１で製造されたＯ2 ガスを所定の圧力で燃焼器３の燃焼部２に供給するとともに、燃料タンク８から原料炭化水素を上記燃焼部２に供給する。この燃焼器３内で、上記原料炭化水素とＯ2 とを上記式（１）の反応を生じさせ、主としてＣＯとＨ2 とからなる混合ガスを発生させる。このとき、第１ノズル９から注入される水から水蒸気が生じ、これにより燃焼器３の整流部７内がある程度冷却され、部分酸化反応に適切な温度範囲に調節されるとともに、水と炭化水素が反応し、ＣＯとＨ2の増産作用に供する。
【００２４】
また、上記燃焼器３で発生した混合ガスおよび水蒸気をタービン５に送り、タービン５を駆動する。このタービン５の回転により、発電機６を駆動させ、タービン５の有効出力を電力として取り出し利用することが行われる。このとき、第２ノズル１０から注入される水から水蒸気が生じ、燃焼器３を出る気流の温度を低下させ、タービン５の寿命を向上させる。また、燃焼器３にタービン５が連設されているため、気流のロスがほとんどなく、効率がよい。
【００２５】
上記ガス発生装置によれば、大形の高圧ボイラー等を必要としないで、タービン５で得られた有効出力を電力等として取り出すことができる。
【００２６】
図２は、本発明の第２の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。この装置は、タービン５から出た混合ガスおよび水蒸気をＣＯシフト転換反応させるＣＯシフト転換器４を備えている。このＣＯシフト転換器４には、スチーム供給路１１が設けられ、必要に応じて調整用のスチームを導入するようになっている。そして、このＣＯシフト転換器４内では、タービン５を出た気流が充填された触媒と接触し、上記気流中のＣＯとＨ2 Ｏが下記の式（２）の反応を生じ、ＣＯ2 とＨ2 にシフト転換される。１３ａはタービン５から出た混合ガスを水蒸気とともに取り出すガス取出路であり、１３はＣＯシフト転換された水素富化ガスを取り出すガス取出路である。なお、この装置において、水導入管１５から燃焼器３に導入される水は、高温ガスが流通する配管（例えば、ガス取出路１３，１３ａ、タービン５出口配管１３ｂ等）において熱交換し、加熱して供給するようにしてもよい。それ以外の部分は、図１に示す装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００２７】
【化２】
ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ⇔ＣＯ2 ＋Ｈ2 …（２）
【００２８】
上記装置は、例えばつぎのようにして用いられる。すなわち、上記タービン５を出た混合ガスおよび水蒸気を含む気流をＣＯシフト転換器４に導入し、触媒と接触させる。そして、上記気流中のＣＯと水蒸気を上記式（２）の反応により、ＣＯ2 とＨ2 にシフト転換する。ここで、混合ガス中のＣＯ濃度が数％程度になるまで転換される。そして、ガス取出路１３から取り出された上記水素富化ガスは、必要に応じてＣＯ2 吸収工程やＰＳＡ法による不純物除去，メタネーション等の精製工程に送られる。
【００２９】
上記装置によれば、ＣＯシフト転換により、高純度の水素ガスを得ることができる。また、第１および第２ノズル９，１０から燃焼器３内に供給された水から生じた水蒸気をシフト転換反応に供するようになっているため、上述した発生動力の増大や、部分酸化反応効率およびタービン５の寿命の向上等の効果に加え、ＣＯシフト転換器４に導入するシフト転換反応用の水蒸気を減少させることができ、設備ユーティリティコストが低減する。ここで、第１および第２ノズル９，１０から燃焼器３内に水を注入させることにより、タービン５出口での気流が飽和水蒸気を含むようにすると、ＣＯシフト転換反応用の水蒸気を燃焼器３を出た気流中の水蒸気でまかなうことができるようになる。それ以外は、図１に示す装置と同様の作用効果を奏する。
【００３０】
図３は、本発明の第３の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。この装置は、タービン５から出た気流を冷却するクーラー２０と、このクーラー２０で冷却された気流を圧縮する圧縮機２１と、この圧縮機２１で圧縮された気流の熱と上記クーラー２０に導入される気流とを熱交換する熱交換器２２とを備え、タービン５から出た気流を所定圧力に昇圧してからＣＯシフト転換器４に導入するようになっている。図において１１ａは、ＣＯシフト転換器４に、調整用のスチームを導入するスチーム供給路であり、ガス取出路１３に設けられた熱交換器２３でスチームを加熱してから導入するようになっている。それ以外の部分は、図２に示す装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００３１】
この装置によれば、ガス取出路１３から所定圧力に昇圧されたガスを取り出すことができる。そして、タービン５から出た気流をＣＯシフト転換器４に導入する前に昇圧するため、ＣＯシフト転換器４の出口で昇圧する場合よりも圧縮機２１を稼働する動力が少なくてすむ。これは、ＣＯシフト転換反応によって混合ガスの量が大幅に増大することによる。そして、この場合には、気流中の水蒸気が冷却されて凝縮し、ＣＯシフト転換反応に必要な水蒸気が不足するため、ＣＯシフト転換反応用のスチームを供給するようになっている。それ以外は、図２に示す装置と同様の作用効果を奏する。
【００３２】
図４は、本発明の第４の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。この装置は、第１ノズル９および第２ノズル１０にそれぞれ水を導入する第１および第２水導入管１５ａ，１５ｂにそれぞれ調節弁１６ａ，１６ｂが設けられている。また、燃焼器３の整流部７には、整流部７内の反応温度を検知する第１温度検知器１７ａおよびタービン５入口での気流の温度を検知する第２温度検知器１７ｂが設けられている。そして、上記第１温度検知器１７ａによって部分酸化反応温度を検知し、その検知信号により調節弁１６ａを調節し、第１ノズル９から注入される水の量を調節することにより、整流部７内の部分酸化反応温度を制御するようになっている。また、上記第２温度検知器１７ｂによってタービン５入口での気流の温度を検知し、その検知信号により調節弁１６ｂを調節し、第２ノズル１０から注入される水の量を調節することによりタービン５入口での気流の温度を制御するようになっている。それ以外の部分は、図２に示す装置と同様で、同様の部分には同じ符号を付しており、図２に示す装置と同様の作用効果を奏する。
【００３３】
図５は、本発明の第５の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。この装置は、第２ノズル１０に水を導入する第２水導入管１５ｂに調節弁１６ｂが設けられているとともに、ガス取出路１３に、ＣＯシフト転換器４から出た気流のガス組成を検知する組成検知器１８が設けられている。そして、上記組成検知器１８でＣＯシフト転換器４から出た気流のガス組成を検知し、その検知信号により調節弁１６ｂを調節し、第２ノズル１０から注入される水の量を調節するようになっている。これにより、燃焼器３内で発生させてＣＯシフト転換反応に供する水蒸気の量を制御するようになっている。それ以外の部分は、図２に示す装置と同様で、同様の部分には同じ符号を付しており、図２に示す装置と同様の作用効果を奏する。
【００３４】
図６は、本発明の第６の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。この装置は、第２ノズル１０に水を導入する第２水導入管１５ｂに調節弁１６ｂが設けられているとともに、タービン５の出口部分に、タービン５出口での気流の温度を検知する第３温度検知器１９が設けられている。そして、上記第３温度検知器１９によってタービン５出口での気流の温度を検知し、その検知信号により調節弁１６ｂを調節し、第２ノズル１０から注入される水の量を調節することにより、タービン５出口での気流の温度を制御するようになっている。このようにすることにより、タービン５内の温度が適正に制御され、タービン５にかかる熱負荷が少なくなり、タービン５の寿命が向上する。なお、タービン５出口での気流の温度を制御するため、タービン５から出た気流の温度を、その後に行われるＣＯシフト転換反応の適切な温度範囲に制御することも可能である。それ以外の部分は、図２に示す装置と同様で、同様の部分には同じ符号を付しており、図２に示す装置と同様の作用効果を奏する。
【００３５】
なお、上記各実施の形態において、燃焼器３にＯ2 ガスを供給したものについては、液体酸素を供給してもよい。また、燃焼器３内には、水を注入するようにしたが、水蒸気を注入するようにしてもよい。また、上記各実施の形態では、タービン５の有効出力を電力として利用したが、これに限定するものではなく、軸回転や噴流のような運動エネルギ等の形で利用するようにしてもよい。
【００３６】
また、部分酸化によって得られたＨ2 とＣＯの混合ガスを、ＣＯシフト転換によって水素富化ガスにしたものについては、これに限定するものではなく、上記混合ガスからＨ2 やＣＯを分離してもよいし、混合ガスとして取り出すようにしてもよい。
【００３７】
さらに、上記燃焼器３としては、特に限定されるものではなく、各種のものを用いることができる。例えば、ジェットエンジンやロケット用燃焼器も用いることができる。上記燃焼器３がロケット用燃焼器からなる場合には、ロケット用燃焼器から高い排出速度で噴射される気流によってタービン５が駆動され、タービン５で発生する動力が増大する。また、発生動力が大きいのに比較して設備が極めて小形ですみ、移設や増設等が一層容易になる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガス発生装置によれば、タービン出口での混合ガスの温度は、燃焼器内の温度よりも低下するため、従来、発生ガスを冷却し動力として回収するために必要となっていた大形の高圧ボイラや大容量のスチームタービンが不要になる。これにより、設備の小形化とイニシャルコストの低減が図れるだけでなく、設備の移設や将来のガス発生量の増大にも対応できるようになる。そして、タービンから排出されるガスから水素ガス，一酸化炭素ガス等を取り出すとともに、タ─ビンで発生する動力を電力等の有効出力として利用することができるのである。また、タービンで得られた有効出力を、各種の動力として有効利用することにより、電力費等のランニングコスト面で有利である。
【００３９】
本発明では、燃焼器とタービンが連設されているため、燃焼器から出た気流が直接タービンを回し、気流のロスがほとんどなく効率がよい。また、設備が小形ですみ、移設や増設等も容易になる。
【００４０】
また、本発明において、燃焼器中に水および水蒸気の少なくともいずれかを導入するようになっている場合には、燃焼器中に導入される水もしくは水蒸気によって、燃焼器内の気流の温度が適正に制御される。
【００４１】
また、本発明において、燃焼器中およびタービン入口の少なくともいずれかに、水および水蒸気の少なくともいずれかを導入することにより、タービン入口での気流の温度を制御するようになっている場合には、タービンに導入される気流の温度が適正に制御され、タービンにかかる熱負荷が少なくなり、タービンの寿命が向上する。
【００４２】
また、本発明において、燃焼器中およびタービン入口の少なくともいずれかに、水および水蒸気の少なくともいずれかを導入することにより、タービン出口での気流の温度を制御するようになっている場合には、タービン内の温度が適正に制御され、タービンにかかる熱負荷が少なくなり、タービンの寿命が向上する。
【００４３】
また、本発明において、燃焼器で発生しタービンから排出された混合ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素と二酸化炭素にシフト転換反応させるシフト転換器を備え、燃焼器を出た気流中の水蒸気をシフト転換反応に供するようになっている場合には、燃焼器を出た気流中の水蒸気によって、必要な水蒸気の一部または全部をシフト転換反応に供することができるともに、適切なシフト転換反応温度にタービン出口の気流の温度を低下させることができる。
【００４４】
また、本発明において、燃焼器中に水および水蒸気の少なくともいずれかを導入することにより、タービン出口の気流が飽和水蒸気を含むようになっている場合には、シフト転換反応に必要な温度にタービン出口の気流の温度を低下させることができるとともに、ＣＯシフト転換反応用の水蒸気を、燃焼器を出た気流中の水蒸気でまかなうことができる。
【００４５】
また、本発明において、シフト転換器の出口の気流の組成によって、燃焼器中に導入する水および水蒸気の少なくともいずれかの量を調節するようになっている場合には、ＣＯシフト転換器から出た気流のガス組成によりＣＯシフト転換反応に供する水蒸気の量を適切に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。
【図２】  本発明の第２の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。
【図３】  本発明の第３の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。
【図４】  本発明の第４の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。
【図５】  本発明の第５の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。
【図６】  本発明の第６の実施の形態のガス発生装置の構成を示す説明図である。
【図７】  従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
３  燃焼器
５  タービン
【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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