低圧蒸気を発生させる構成および方法

本発明の分野は、蒸気消費装置用の蒸気消費圧力で低圧蒸気を発生させる装置および方法である。

蒸気は、ユーティリティ加熱をリボイラおよび他の装置へ供給するために多くのプラントおよび方法で用いられる。例えば、アミンプラント(例えば、ECONAMINE FG PLUS^SM(Fluor Technologies Corp.)プロセスを用いるもの)のストリッパリボイラにおいて、スチームヒータは通常、CO₂回収を目的として溶剤を再生させるために用いられる。リボイラにおいて要求される蒸気圧力は、典型的には特定のリボイラ構成およびプロセス要求によって決定されるが、大部分のプラントにおいて利用可能な蒸気圧力は外的なユーティリティシステムによって決定づけられることが多く、よってほとんどの知られているシステムにおいて蒸気は一定の圧力範囲で発生されることに起因して、リボイラにより要求される圧力より常に高い。その結果、蒸気発生プロセスにおける熱回収は、望ましい熱回収より少ない。さらに、外部ユーティリティシステムにおける蒸気発生は、様々なソースからの廃熱回収を除外することが多い。

蒸気生成のための様々な構成および方法が技術上知られているが、これらの全て、またはほとんど全てに1つ以上の欠点がある。従って、依然として、蒸気を生成するための、かつ特に低圧蒸気を生成するための改良された方法および構成を提供することが必要とされている。

本発明は、蒸気消費装置において蒸気が凝縮する圧力とほぼ同じ圧力で蒸気発生器により蒸気が発生されかつ蒸気発生器から送出される、1つ以上の蒸気消費装置のために蒸気を生成する装置および方法に関する。従って、消費圧力における蒸気の発生に伴って、蒸気発生に用いられる熱源からのより多くの熱の回収が可能である。

本発明の主題の一態様において、プラントは、蒸気消費装置へ結合されている蒸気発生器を含み、蒸気発生器は、蒸気消費装置における蒸気の凝縮圧力に略等しい圧力で蒸気を生成する。蒸気発生器へは、蒸気消費装置からの復水を蒸気に変換するに足る熱を供給するために、少なくとも1つの熱源が熱結合される。

最も好ましくは、蒸気発生器からの蒸気を容器が受け入れるように、かつ蒸気消費装置からの復水を容器が受け入れるように、蒸気発生器および蒸気消費装置へ容器が結合される。その結果、1つ以上の熱源(例えば、廃熱源)および/または蒸気発生器が別々のロケーションに位置決めされ得ることは認識されるべきである。所望される場合には、従来の蒸気生成ユニットまたは他の蒸気源(例えば、蒸気タービン排気装置)によって蒸気消費装置へ追加的な低圧蒸気が供給されてもよい。

従って、別の観点からすれば、プラントは、蒸気発生器が蒸気消費装置内の蒸気の凝縮圧力に略等しい圧力で蒸気を生成しかつ送出できるように閉サイクル構成で互いに結合される蒸気発生器および蒸気消費装置を備えてもよい。最も典型的には、この閉サイクルは、蒸気発生器から蒸気を受け入れることができる、かつ蒸気消費装置から復水を受け入れることができる容器をさらに含む。さらに、このようなプラントが復水を50psia以下の圧力を有する(典型的には低圧の)蒸気へ変換するための熱を供給する少なくとも1つ、または2つの別個の熱源(例えば、廃熱、伝熱流体、レキュペレータ、他)を有することも想到される。

従って、発明者は、蒸気消費装置内の蒸気の凝縮圧力に略等しい圧力で蒸気が蒸気発生器において形成されかつ蒸気発生器から送出される、蒸気消費装置の動作方法も想到される。最も典型的には、蒸気発生器において蒸気を形成するステップは、伝熱流体および/または廃熱源を用いて実行される。さらにまた、概して、蒸気消費装置および蒸気発生器は、圧力(コンプレッサにおける圧縮、または膨張装置における膨張)の実質的変化なしに蒸気発生器からの蒸気を容器が受け入れるように、かつ蒸気消費装置からの復水を容器が受け入れるように、容器によって互いに結合されることも好適である。必要であれば、または別途所望されれば、第2の蒸気発生器(典型的には、従来の蒸気発生器または蒸気タービン排気装置)から蒸気消費装置へ追加的な蒸気が適切な圧力で送出されることも可能である。あるいは、または追加的に、蒸気消費装置において要求されるものを超える過剰蒸気が生成され、別個の蒸気消費装置において使用するためにシステムから移出されることも可能である。最も典型的には、蒸気消費装置は溶剤再生器の蒸気リボイラであり、かつ低圧蒸気は50psia以下の圧力を有する。

本発明の様々な目的、特徴、態様および優位点は、本発明の好適な実施形態に関する以下の詳細な説明からさらに明らかとなる。

本発明の主題による一蒸気生成システムの例示的な略図であって、自足式の構成を示している。

本発明の主題による別の蒸気生成システムの例示的な略図であって、補助蒸気を用いる、かつ場合により複数の熱源を用いる構成を示している。

本発明は、蒸気が実質的に蒸気消費装置により要求される圧力で発生される、蒸気を発生させるための、かつ特に低圧蒸気を発生させるための装置および方法に関する。蒸気発生/供給圧力を要求される蒸気消費圧力まで下げることにより、蒸気発生プロセスにおいて回収される熱が最大化され、これにより、プロセスがより効率的になることは認識されるべきである。さらに、想到されるシステムおよび方法は、廃熱が1つ以上の廃熱源から(例えば、溶剤再生における蒸気用に)用いられることも可能にし、これにより、プラントの運転コストはさらに著しく低減される。

例えば、本発明の主題の特に好適な一態様において、蒸気は、蒸気発生器を蒸気消費器(例えば、リボイラ)へ流体接続させることにより、可能な限り低圧で発生される。最も好適には、このような低圧蒸気発生は、蒸気ドラムを有するリボイラの復水ドラムを同じ容器へ統合することによって達成されることが可能である。その結果、蒸気発生器圧力はリボイラ圧力に依存する。このような構成および方法は、効果的には、こうして発生される蒸気が唯一の熱源であるプラント、または補助熱源として用いられるプラントにおいて実装されることが可能である。

従って最も好適には、想到されるプラントは、蒸気消費装置へ流体結合される蒸気発生器を含み、蒸気発生器は、蒸気消費装置内の蒸気の凝縮圧力に略等しい圧力で蒸気を生成する。最も典型的には、1つ以上の熱源は蒸気発生器へ熱結合され、かつ復水を蒸気に変換するに足る熱を供給するように構成される。従って、かつ異なる観点からすると、蒸気発生器が蒸気消費装置内の蒸気の凝縮圧力に略等しい圧力で蒸気を生成しかつ送出できるように、閉サイクル構成において互いに結合された蒸気発生器および蒸気消費装置を含むプラントが想到される。

図1には、ある例示的な構成が略示されていて、蒸気発生ユニット100は、蒸気消費装置として溶剤再生器カラムのリボイラ110を有する。蒸気発生器120は、最も典型的には伝熱流体回路144を介して熱源140/142へ各々熱結合される。伝熱流体が蒸気発生に足る熱を供給する限り、本明細書においては如何なる伝熱流体も使用に適していると見なされることは認識されるべきであるが、特に好適な伝熱流体には様々な煙道ガスが含まれる。さらなる適切な伝熱流体には、液体伝熱媒体、および蒸気もまた含まれる。復水は復水ライン126を介して蒸気発生器へ供給され、ここで、復水の少なくとも一部は気化され、蒸気発生器内で形成された蒸気は、残りの復水と共に蒸気ライン124を介して送出される。典型的には、蒸気発生器へ供給される復水の10%から30%までが蒸気に気化される。従って、ストリーム124は二相ストリームになり、典型的には蒸気質量分率は0.1から0.3までである。蒸気134は、統合された蒸気/復水ドラムとして構成される容器130内で残りの復水から分離される。蒸気134は次に、蒸気送出ライン124’を介してリボイラへ送出され(略完全に蒸気)、かつリボイラ内で形成される復水は復水送出ライン126’を介して容器へルーティングされて戻り(略完全に液体)、ここで復水136として貯蔵される。復水ポンプ122は、蒸気/復水閉サイクルをこのようにして閉じるために復水を蒸気発生器へポンピングする。あるいは、蒸気/復水ループは、蒸気/復水ドラム130および蒸気発生器120を正しく上昇しかつ位置合わせすることにより、ポンプなしに自然対流を介して閉じられる可能性もある。ライン127は、組成制御のためのブローダウン流として復水を除去するために使用されることが可能であり、かつボイラ給水は、レベル制御ユニット133を介して容器へ補給のために供給される。蒸気圧力は、好適には、図1の例ではバイパス145を介する伝熱流体の流れ(即ち、蒸気発生器120における熱入力)を決定する圧力制御ユニット138を介して制御される。

あるいは、補助的な蒸気熱は、図2の蒸気発生ユニット200に例示的かつ概略的に示されているようにプラントへ供給される。この場合、溶剤再生器カラムのリボイラ210は蒸気消費装置である。蒸気発生器220は、伝熱流体回路244を介して熱源240へ熱結合される。追加的な蒸気発生器および/または熱源は、追加的な蒸気ライン224’’’(典型的には、10%〜30%の蒸気を二相ストリームで運ぶ)および追加的な復水ライン226”を介して実装されてもよい。蒸気発生器内で形成される蒸気は、蒸気ライン224(典型的には、10%〜30%の蒸気を二相ストリームで運ぶ)を介して送出されるが、蒸気ライン224はこの蒸気と残りの復水とを含み、復水は復水ライン226を介して蒸気発生器へ供給される。蒸気234は、統合された蒸気/復水ドラムとして構成される容器230内で残りの復水から分離される。蒸気234は次に、蒸気送出ライン224’を介してリボイラ210へ送出され(略完全に蒸気)、かつ主たる蒸気送出ライン224”と混合される。リボイラ内で形成される復水は復水送出ライン226’を介して容器へルーティングされて戻り(略完全に液体)、ここで復水236として貯蔵される。復水ポンプ222は、補助蒸気/復水サイクルをこのようにして閉じるために復水を蒸気発生器へポンピングする。あるいは、蒸気/復水ループは、蒸気/復水ドラム230および蒸気発生器220を正しく上昇しかつ位置合わせすることにより、ポンプなしに自然対流を介して閉じられる可能性もある。ライン227は次に、復水を主たる蒸気発生器(図示せず)へルーティングして戻すために使用され、かつ典型的にはレベル制御ユニット233によって制御される。さらなる熱源、蒸気発生器、レベルおよび圧力の調整は、図2に略示されているように達成されることが可能である。

図1および図2の例示的な構成において、蒸気発生器からの蒸気がリボイラへ熱を供給すること、およびリボイラの蒸気圧力が間接的に操作されることは留意されるべきである。最も典型的には、蒸気消費装置における蒸気圧力のこうした間接的調整は多くの方式で達成されることが可能であるが、特に好適には、圧力は、プロセスにより要求される熱入力がリボイラにおいて満たされるように蒸気発生器における「補給」蒸気を調整することによって、かつ/または熱入力を調整することによって調整される。従って、要求される圧力が発生圧力と共に上昇または下降するに伴って、熱回収は常に最大化される。さらに他の想到される構成には、複数の熱源が互いに連結されるもの(例えば、複数のボイラが全てリボイラの凝縮圧力に依存する場合)、または過剰蒸気が発生される場合は、蒸気が他の蒸気消費装置へ移出されるものが含まれる。

熱源からリボイラまたは他の蒸気消費装置へ熱を伝達する他の可能な方式には、従来の蒸気発生システムまたは直接的熱交換が含まれる。あるいは、ユーティリティ蒸気は、中間ステージ(例えば、発電所)における発電用蒸気タービンから蒸気を取り出すことによって供給される。このようなプラントでは、蒸気は発電サイクルから除去され、よって発電所の電気出力はこうして低減されるが、蒸気発生/消費をこうして最小化することがこのような欠点を補償する場合もあることは認識されるべきである。

当然ながら、想到されるシステムおよび方法が本明細書に提示されている発明的概念から逸脱することなく様々な方式で修正され得ることは認識されるべきである。例えば、想到されるシステムおよび方法は、容器が蒸気発生器から蒸気を受け入れかつ蒸気消費装置から復水を受け入れることができるように蒸気発生器および蒸気消費装置へ流体結合される単一の統合された容器を使用することが好適ではあるが、容器は略同一の(例えば、絶対圧10%未満の偏差)圧力で動作する2つの別々の、但し流体接続される容器に分離され得ることも想到される。このようなシステムおよび方法では、蒸気は1つ以上の容器内に収集されてもよく、一方で復水はさらに他の容器内に収集されてもよい。

さらに、好適な熱源は廃熱源であるが、他の多くの熱源もまた適切であると見なされ、かつ反応炉の流出熱(例えば、接触分解または水素添加、改質、部分的な酸素添加、クラウス炉、他からの)および燃焼熱を含むことは留意されるべきである。従って、かつ熱源の性質およびロケーションに依存して、本発明の主題による蒸気発生には複数の熱源が使用されてもよく、または同一の熱源が複数のプロセスポイントにおいて熱を供給してもよい。同様に、伝熱流体または復水/補給ボイラ給水を所望される圧力での蒸気発生に足るポイントまで加熱するために、複数の別々の熱源が連続して配列されてもよい。その結果、熱源は蒸気発生器へ(例えば、タービン排気を用いて)熱を直接的に供給することが特に好適である。あるいは、伝熱媒体は流体または蒸気であってもよく、よって熱を蒸気発生器へ送出してもよい。従って、熱源および蒸気発生器が別々のロケーションに位置決めされてもよいこと、およびさらに効果的には、蒸気発生器および蒸気消費装置が物理的に分離され得ることは留意されるべきである。

熱源、蒸気発生器および/または蒸気消費装置の具体的な性質に依存して、蒸気の圧力が著しく変わり得ることに留意されたい。しかしながら、概して好適には、蒸気は500psia未満の圧力を有し、より典型的には250psia未満、さらに典型的には100psia未満および最も典型的には50psia未満の圧力を有する。

従って、想到される方法が、1つのステップにおいて蒸気消費装置内の蒸気の凝縮圧力に略等しい(典型的には、偏差20%未満、より典型的には10%未満かつ最も典型的には偏差5%未満の)圧力で蒸気が蒸気発生器において形成されかつ蒸気発生器から送出される蒸気消費装置(例えば、溶剤再生器の蒸気リボイラ)の動作方法も含むことは認識されるべきである。異なる観点からすると、蒸気発生器と蒸気消費装置との間の圧力偏差は、典型的には、差分がライン損失圧力降下を補償する類のものになる。従って、蒸気発生器と蒸気消費装置との距離が大きければ、より大きい差分が適切である。先で既に述べたように、蒸気は蒸気発生器内で、蒸気発生器のロケーション以外のロケーションにおけるものである場合が多い廃熱または他の利用可能な熱を用いて形成されることが概して好適である。従って、復水から蒸気を形成するために廃熱が使用され得ることは認識されるべきである。

想到される方法の特に好適な態様において、蒸気消費装置および蒸気発生器は、容器が(a)蒸気発生器から蒸気を受け入れ、かつ(b)蒸気消費装置から復水を受け入れることができるように、容器によって互いに流体結合される。あるいは、1つ以上の容器が復水を収集し、一方で他の容器が蒸気を収集するように互いに結合される複数の別々の容器が使用されてもよく、これらの容器のうちの少なくとも2つは略同一の圧力で動作するように互いに結合される。先に詳述したように、想到される構成および方法は独立型蒸気供給装置として、または補助蒸気が蒸気消費装置へユーティリティ蒸気に続いて蒸気消費装置において必要とされる圧力で送出される構成で実装されてもよい。

従って、これまでの説明に鑑みれば、想到されるシステムおよび方法が現時点で知られる構成および方法を凌ぐ複数の優位点を提供することは認識されるべきである。例えば、蒸気発生のための熱源および蒸気消費装置(例えば、リボイラ)は物理的に分離されることが可能であり、よって複雑なダクティングおよび/または配管配列を回避することができる。さらに、リボイラシステムまたは他の蒸気消費装置の液圧要件の保全が可能である。またさらに、リボイラの管または他の伝熱表面の表面温度は熱源温度によって影響されず、よって、プロセス流体の熱劣化等のリボイラシステムにおける過度温度に関連する問題が回避される。想到される構成および方法の他のさらなる優位点は、複数の熱源を利用して組み合わされた蒸気流を発生させることが可能であって、これによりリボイラの構成または他の蒸気消費装置が単純に保たれることにある。

概して、本発明の主題のシステムおよび方法は選好的には溶剤再生器のリボイラにおいて用いられることが好適であるが、本構成および方法が多くの代替用途において、かつ実際に低圧蒸気加熱が要求される任意の状況において使用されてもよいことは留意されるべきである。最も効果的には、想到されるシステムおよび方法は、重大なレベルの低レベル廃熱を有するプラント(例えば、発電所、水素化処理および/または水素化分解プラント、硫黄回収プラント、合成ガス製造プラント、フィッシャートロプシュプラントなど)において実装される。しかしながら、想到される構成および方法は特に、煙道ガス処理システムにおいて、かつ特に、過度な廃熱を有するリトロフィットプロジェクトにおいて実装されることが好適である。

従って、低圧蒸気発生のための具体的な実施形態およびアプリケーションが開示されている。しかしながら、既に記述されているものに加えてさらに多くの修正が本明細書における発明的概念を逸脱することなく可能であることが、当業者には明らかなはずである。従って、本発明の主題は、添付の特許請求の範囲の精神以外によって限定されるべきではない。さらに、本明細書および特許請求の範囲の双方を解釈する際に、全ての用語は文脈に一致する可能な限り最も広範な方法で解釈されるべきである。特に、「を備える」および「を備えている」という用語は、要素、構成要素またはステップに非排他的に言及しており、言及された要素、構成要素またはステップは明示的に言及されていない他の要素、構成要素またはステップと共に存在し、または利用され、または組み合わされ得ることを指すものとして解釈されるべきである。