【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温熱媒体流の製造に際し、それより動力エネルギーを回収することのできる方法および装置に関する。

【０００２】燃料ガスを圧縮して、燃焼を継続させるため圧縮空気を用いる燃焼室において燃やし、タービン内において燃焼生成物を膨脹させることにより、燃料ガスから動力エネルギーを発生させることは既に知られている。 タービンは交流発電機を動かし、それにより発電する。 適切なる燃料ガスの既知の生成源は、鉄及び／或は石炭のガス化を生ずる酸化鉄の直接還元をおこない反応炉を含む。 これらの例においては、燃料ガスは高温において生成され、粉じんを伴なう。 この燃料ガスは粉じんを除去するために精製し、そして常温に冷却される。

【０００３】度々、この燃料ガス製造プロセスは市販の高純度酸素或は酸素富化空気の供給を必要とする。 このための酸素或は酸素富化空気は、燃料ガスの製造反応装置と同一地点において運転されるプラントにより製造される。 窒素も酸素と共にこのプラントにより製造される。

【０００４】この窒素から仕事量を回収するための技術が数多く提案されている。 いくつかの提案には、窒素は圧縮され、ついで燃料ガスの燃焼生成物が膨脹するガスタービンに送られる。 窒素は、直接に膨脹タービン或はその上流部に送り込むことが出来る。 この手段により、
空気分離に必要なエネルギーの大部分、全てではないにしても、それをまかなうことが出来る。 このような方法の例示が、米国特許明細書２，５２０，８６２号及び３，７７１，４９５号に含まれている。

【０００５】又、我々の英国特許出願ＥＰ・Ａ−４０２
０４５においても、高圧下に高温ガス流と熱交換し、ついで得られた加温窒素を外部仕事をおこなわせると共に膨脹させて、窒素から仕事量を回収する提案をおこなっている。

【０００６】上記の如何なる既存プロセスも燃料ガスの高温性を利用し、動力エネルギー発生の手段を提供するものはない。

【０００７】本発明は、動力エネルギーを回収可能とする高温媒体流の製造方法を提供するものであり、高温において一段或は多段の化学反応により燃料ガスを生成し、この燃料ガスを少なくとも２００℃において、それより粉じんを除去するため濾過すること、且つ、この高温濾過ガスと熱交換媒体流との熱交換により、前述の熱交換媒体流の温度を上昇させ、これにより、高温媒体流を提供することよりなる。

【０００８】本発明は又、高温度において燃料ガスを生成するための反応器を含み、高温ガスから粉じん除去が可能であり、かつ、前述の反応器と連結する高温ガス濾過手段、さらに前述の熱交換媒体の温度を上昇させ、それにより高温媒体流として供給しうるように、熱交換媒体流の濾過高温ガスと熱交換するための熱交換器よりなり、動力エネルギーの回収が可能である高温媒体流を製造するための装置を提供する。

【０００９】この熱交換媒体は、好ましくは圧縮ガスよりなる。 得られた圧縮ガス流は、好ましくは第１膨脹タービンにおいて、他の如何なるガス流とも混合することなく膨脹させ、動力エネルギーを発生させる。 特に好ましくは、燃料ガス生成のための一段或は多段化学反応において、高純度酸素或は酸素富化空気を使用し、ガス状熱交換流に窒素を用いることである。 本発明による例示においては、酸素及び窒素共、空気流の分離により製造することが可能である。 空気流は、好ましくは分割により分離される。 空気の分割は、好ましくは一つの低圧段階と一つの高圧段階よりなる二重カラム内においておこなわれる。 好ましくは、二重カラムによる前述の２段階にともなう凝縮−再蒸発器があり、低圧段階のための再蒸発と両段階のためのリフラックスをおこなうようになっている。 低圧段階は、好ましくは、（その最上部で）
３乃至６の絶対気圧の範囲を運転圧とする。 もし、酸素圧が少なくとも３気圧であることが要求され、アルゴンは必要でない場合は、この範囲での低圧カラムの運転は、従来の運転圧の１乃至２絶対気圧での範囲よりも、
空気の分離効率がはるかに良好となる。

【００１０】更に、濾過高温燃料ガス流の温度に依存するが、典型的には、それと熱交換する窒素流上流部分を圧縮しない事が望ましい。 一般的には、濾過高温ガスが４５０℃以下の温度である場合、二重分割カラムは、濾過高温ガスと熱交換する窒素上流部の更なる圧縮は望ましくないので６絶対気圧以下の圧力にて運転することが出来よう。 濾過ガス流が高温である場合は、高圧の窒素流を使用することが望ましい。 このような場合の例では、低圧分割カラムと熱交換器における中間部の流れの圧縮が好ましい。

【００１１】本発明にもとづく方法と装置の使用に際して、適切なる高温ガス濾過の手段は、例えば、特許出願ＵＳ−Ａ−４８８５０１４、ＷＯ−Ａ−８７／０７１８
１および「プロセス及び燃料ガスの非対称性多孔質セラミックスによる常温から１０００℃にわたる粉じん除去」と題するＭ． ドュルスト，Ｍ． ミューラー、Ｈ． ボルマー三氏による論文がスタウプーラインハルティング デル ルフト ４８巻（１９８８年）、１９７−２０
２頁に記載されている。 ここに述べられた濾過器は１０
００℃までの温度で運転可能である。

【００１２】例えば、燃料ガスは、還元用ガスの原料として石炭を用いる鉄鉱石還元によるプロセスにより製造される。 このようなプロセスの例としては、「コール・
ベースド アイアン・メーキング」と題したＲ，Ｂスミス及びＭＪ． コルベット両氏の論文がアイアン・メーキング アンド スチールメーキング１４巻（１９８
７）、４９−５６に記載されている。 このＫＲプロセスは５３頁に述べられているが、現在ではコルベックスプロセスとして知られている。 このプロセスは燃料ガスを２５０乃至３００℃の範囲の温度において製造する典型的な例である。

【００１３】熱交換媒体による熱交換の下部流において、燃料ガスは、一般的加熱用に用いられる。 又その熱量を増加し或はそれより純粋なるガスを得るため分離することも出来る。 （例えば水素及び／或は一酸化炭素）、又第２タービン内で膨脹することによりその仕事量が回収可能であるガス流の製造を目的として燃焼することも出来る。 第２タービンは圧縮器と連動するか、或は発電のため交流発電機の運転用に使用しうる。 熱交換器とガス燃焼用燃焼室の中間において、燃料ガスは第２
タービンの運転圧に相当する圧力にまで圧縮される。 このような仕組みにおいて、燃焼室は好ましくは、燃料ガスの燃焼のために必要なる化学量論的空気を供給する空気圧縮器に連がれる。 望ましい場合には、このような圧縮器からの圧縮空気の一部を本発明による方法の好ましい例に従って使用するための酸素及び窒素の製造用として分離した空気の供給をおこなうために、燃焼室から分けることも可能である。 更に、このような例においては、好ましくは、空気より分離した窒素流を燃焼ガスの膨脹のためのタービンに導き、タービンに付属する燃焼室に送りこむ圧縮器から分けた空気圧を相殺するようにする。 望ましい場合には、第２タービンより流れ出る燃焼生成物流は前述の窒素流を予熱するために第２タービンを通過する窒素流と熱交換することも可能である。

【００１４】本発明による方法および装置においては、
窒素を熱交換媒体として用いることは必須のことではない。 望まれる場合には、蒸気を使用することも出来る。
又、蒸気の温度を上昇させるための高温ガス源として、
熱交換媒体と熱交換したる燃料ガス下流部の燃焼生成物を用いることも可能であり、ついでタービンにおいてこの蒸気を膨脹させそれにより発電することも出来る。 更に本発明の方法と装置の他の例としては、熱交換オイルを熱交換媒体として使用することである。 得られた加熱交換オイルは、ついで窒素或は蒸気のごときガスと熱交換して、生成した加熱窒素或は過熱蒸気をタービンにおいて膨脹させ発電することが出来る。

【００１５】本発明の方法及び装置は、燃料ガスを濾過以前に常温に冷却する比較例である方法及び装置より得ることの出来るよりも、はるかに多大なる電気量の発生を可能とすることに特に利点を有する。 更に、燃料ガス発生の一段或は多段反応において酸素を用いる本発明の方法及び装置の例において、少なくともいくらかのそして典型的には全ての空気分離プラント用動力を高温濾過燃料ガスよりのエネルギー回収によって満たすことが出来る。

【００１６】本方法と装置は、ここにおいて、付属せる図面を用いて例示することにする。 まず、図１は燃料ガスから動力発生のための第１のプラントを図式的に流れダイヤフラムとして示したものである。

【００１７】図２は、燃料ガスからの発電の手段を含む第２のプラントの図式的流れダイヤグラムとして示したものである。 燃料ガスは反応装置により製造されるが、
まず酸化鉄を石炭により鉄に還元し、ついで燃料ガス製造のため石炭をガス化する。 図３は、図１及び２に示したプラントで使用する空気分離プラントの図式的流れダイヤグラムである。 尚、これらの図面は実物の縮尺にて示したものではない。

【００１８】図１においては、鉄鉱石と石炭により鉄と燃料ガスを製造する反応装置４に送る酸素流（典型的には、ガス状不純物を５容量％まで含有）を供給する空気分離プラント２が示されている。

【００１９】この燃料ガスは、典型的には１００℃までの温度において、反応装置４を去り、ついで前述の好ましき種類の高温濾過装置６を通過する。 濾過装置６は燃料ガスより実質的に全ての固体粒子を除去するのに有効である。 高温燃料ガスはついで熱交換器８を通過し、その際に、好ましくは窒素（しかし、例えば水蒸気をも使用可能）である熱交換媒体と向流式に流れ合う。 熱交換媒体は、その際、典型的には常温状態から、熱交換器に入る高温ガスの温度より５０℃低い温度にまで加熱される。 熱交換媒体はついで膨脹タービン（典型的には４乃至１０絶対気圧の範囲で）に送られる。 タービン１０は動力ステーション１４の一部をなす交流発電性１２を運転しそれにより発電される。

【００２０】熱交換器８を去る燃料ガスは、純粋ガス状生成物の製造のために分離されるか或はそれ自体更に発電のために用いることが可能である。 かくして、生成されたる動力は空気分離プラント２の電力の全ての需要をまかなうために使用することが出来る。

【００２１】第２図においては、第１図に一般的に示した種類のプラントの特種例を示した。 第２図に関して、
鉄鉱石の直接還元及び燃料ガスの製造のための反応装置２０はガス化装置２２と直立シャフト還元炉２４よりなる。 塊状、ペレット状或は焼結状の酸化鉄鉱石、石炭とドロマイトの計量分を炉２４の上部に直接投入する。 同時に、一酸化炭素と水素よりなる還元ガスをシャフト炉２４にその中間部より吹き込む。 還元ガスは、鉱石が下に流れるのに抗して、上方に動き、頂頭部において、導管２６を通り抜け出す。 高温ガス中を通り下降するにつれて、石灰とドロマイトは高温焼結され、鉄鉱石はスポンジ状の鉄に還元される。 スクリュー・コンベイヤー（図示省略）が、シャフト炉２４の底部よりスポンジ状鉄を一定速度にて取り出し、そして取り出されたスポンジ状鉄は重力により直接ガス化装置２２に落下する。 ガス化装置２２は、炉底（図示省略）を底部に持ち、石炭投入用の流動床がある。 そして最上部には自在式平坂部分となっている。 酸素は導入口（図示省略）を通りガス化装置２２の流動床部分に吹き込まれる。 そして石炭はガス化される。 生成ガスはパイプ状導管２８を通り取り出される。 そしてサイクロン３０を通過して分割されることとなる。 ガス流の一部は炉２４に使用するガスを提供し、残部はガス化装置２２に戻る。 ガス化装置２２の流動床領域へ重力により落下するスポンジ状鉄は熔融状態にある。 液状鉄とスラッジ、これは石炭灰分、石灰とドロマイトよりなるが、炉底に沈下する。 そして重い鉄と軽いスラッジとの比重差により、自然に２層に分離する。 液状鉄はかくしてガス化装置２２の底部より取り出すことが出来る。

【００２２】このような還元炉−カム−ガス化装置の運転は技術的によく知られており、前述事項は、その運転方式の簡略なる説明にすぎない。 このようなプラントの運転プロセスの一例はコーレックプロセスである。

【００２３】反応装置２０に用いる酸素は空気流を取り込み圧縮機３２により圧縮される。 圧縮された空気流の一部は、ついで低温空気分離プラント３４に入り、そこで、分割により酸素と窒素に分離される。 酸素流はプラント３４より出て、圧縮器３６において、ガス化装置の運転圧にまで圧縮され、ついでガス化装置２２に入り、
その酸素需要を満すために供給される。

【００２４】炉２４の頂頭部より出る燃料ガスは典型的なるその組成として、一酸化炭素を４０乃至４３容量％、二酸化炭素を３４乃至３７容量％、水素を１７乃至１８容量％、水蒸気を１．５容量％、メタンを０．５容量％、窒素を３乃至４容量％、そして熱量を７．５乃至８ＭＪ／Ｎｃｍ ³を有する。 （１Ｎｃｍ ³のガスは０℃
及び１絶対気圧にて１立方メートルである）。 燃料ガスは典型的には、２５０乃至３００℃の温度領域において炉２４の頂頭部より外部へ出る。 燃料ガスは、ここにおいて好ましいものとして記述された種類の高温濾過手段３８によりこの温度にて濾過される。 生成した高温濾過ガス流はついで空気分離プラント３４より導出管４２を通り、取り出された窒素流に対し、向流式窒素は典型的には、プラント３４より、２乃至６絶対気圧の範囲の圧力において製造される。 熱交換器４０を通過する窒素流は、典型的には２５０℃程度の温度に加熱され、ついで如何なる他のガスとも混合せずに膨脹タービン４４において膨脹される。 タービン４４は動力ステーション４８
の一部をなす交流発電機４６を運転するのに使用される。 膨脹タービン４４を出るガスは典型的には煙突（図示省略）を通じて大気中に排気される。 従って、電力は還元炉２４を出る燃料ガスの熱量により発電することが出来るのである。

【００２５】更に動力は、窒素ガス流と熱交換した後に熱交換器４０を出る燃料ガス流の燃焼により発生することが出来る。 この目的のために、燃料ガスは圧縮器５０
により、空気が圧縮器３２内で圧縮されるのと同圧になるよう圧縮される。 生成した圧縮燃料ガスはついでタービン５４に付属した燃焼室５２に送られる。 燃焼室５２
内での燃料の燃焼は、圧縮器３２により製造される圧縮空気流の大部分により維持される。 典型的には、圧縮器３２、燃焼室５２そして膨脹タービン５４が、１組のプラントを形成し、タービン５４と圧縮器３２がそれぞれ同一のシャフトに乗ったローター（図示省略）を持ち、
これにより膨脹タービン５４をして圧縮器３２を効果的に連動することとなる。 圧縮器３２は典型的には燃焼室５２において、定められた速度での燃料ガスの燃焼が可能となる大きさを有し、それにより、高温燃焼生成物が定められた速度にてタービン５４に供給しうるようにする。 又空気分離プラント３４への圧縮器３２よりの圧縮空気の少量の横流れにより燃焼室５２における燃焼生成物の製造が不十分となるため、その相殺をおこなう事が望ましい。 かくして、タービン５４が効率良好に運転されることを保証しうる。 この相殺圧力は空気分離プラント３４から窒素流を取り出し、圧縮器５６において、燃焼室５２の運転圧に概略合致するように圧縮する。 得られた圧縮窒素流はついで、燃焼室５２で生成する燃焼製造物と混合し、かくして得られる混合ガス流をタービン５４において膨脹させる。 タービン５４は圧縮器３２の運転力を提供すると共に、動力ステーション４８の部分を構成する交流発電機５８をも運転する。

【００２６】望ましくは、タービン５４を出る燃焼生成物流は燃焼室５２において生成する燃焼生成物と混合される圧縮窒素上部流を予熱するのに使用する。 この予熱は、熱交換器６０による向流式熱交換によりおこなうことが出来る。 必要ならば、窒素を望む温度に加熱するため熱交換器６０において、付加的熱交換器流を用いることも可能である。 タービン５４よりの廃気ガスは典型的には、煙突（図示省略）を通じて、大気中に排出する。

【００２７】第３図は、付随する図面の第１図及び第２
図に示したプラントの部分として使用しうる空気分離ユニットである。 圧縮空気流は、圧縮空気より、水蒸気及び二酸化炭素を除去するに有効な、精製装置７０を通過させる。 精製装置７０は導入される空気から水蒸気と二酸化炭素を吸着する吸着床を使用する種類のものである。 この吸着床群は、順番に運転使用する。 １つあるいは複数の吸着床を空気の精製に使用する間に他の吸着床を再生する。 典型的には窒素流を用いて再生する。 精製された空気流は主要な流れと少量の横流れ部分に分割する。

【００２８】主要なる空気流は、熱交換器７２を通じ、
その温度を分割による空気分離に適した水準にまで低下させる。 従って、典型的には、主要なる空気流はその時の圧力における飽和温度にまで冷却される。 この主要なる空気流はついで熱交換器７２から導入口７４を通り二重分割カラム７６の高圧段階７８へ導入される。 高圧段階７８に加え、低圧段階８０がある。 これらの分割段階７８及び８０は両者共、液体−蒸気接触トレイ（図示省略）と付属下降部分（図示省略）（或は他の下降液状層と上昇蒸気層の効果的なる密着接触手段）を含み、それにより、下降液状層は上昇蒸気層と密接に接触させ、この２つの層間に物質移動をおこなわせる。 下降液状層は可及的に酸素が富化されそして上昇蒸気層は可及的に窒素が富化される。 この高圧分割段階７８は、導入空気が圧縮されると略同一の圧力において運転をし、空気を酸素富化空気成分と窒素成分に分離する。 低圧段階８０は好ましくは、頂頭部において、実質的に純粋なる窒素を与え、しかし底部では、まだかなりの不純部分（主としてアルゴンと窒素）（おそらく５容量％以内）を含有する様に運転する。 分割段階７８及び８０は凝縮器−再蒸発器８２により連結されている。 凝縮器−再蒸発器８２
は高圧段階７８の頂頭部から窒素蒸気を受け入れ、分割段階８０内にて、液状酸素を蒸発させると共に熱交換により窒素を凝縮させる。 得られたる凝縮体は高圧段階７
８に戻す。 凝縮体の一部分は分割段階７８のリフラックスとなり、一方残余は集められて熱交換器８４において、冷却され、膨脹バルブ８６を通じて、低圧段階８０
の頂頭部に導入され、こうして、分割段階８０のリフラックス用とする。 低圧分割段階８０は、分割段階７８よりも低圧にして運転し、これら２ケ所の供給源から、分離用の酸素−窒素混合物を受け取る。 第１供給源は精製装置７０よりの空気流分割により得られた少量の横流れ空気である。 分割段階８０への導入上流部では、少量の空気流を圧縮器８８において圧縮する。 この圧縮器８８
には、それに付属した後段冷却器（図示省略）を取りつける。 ついで熱交換器７２において約２００Ｋの温度に冷却しそしてこの熱交換器７２より取り出し、分割段階８０の運転圧にまで膨脹タービン９０内で膨脹させる。
かくしてこのプロセスの冷却をおこなう。 空気流はついで導入口９２を通じて、低圧分割段階８０に導入される。 膨脹タービン９０を圧縮器８８の運転に使用しうる。 別法として２つの機器即ち圧縮器８８とタービン９
０を互に独立させることも出来る。 望ましい場合は、圧縮器８８を省略することが出来よう。 又タービン９０を発電気（図示省略）の運転に使用することが出来る。 酸素−窒素混合体分離の第２の供給源として、低圧分割段階８０は、高圧分割段階７８の底部から取った酸素富化部分液状流がある。 この流れは導出口９４を通じて取り出すが、熱交換器９６内で、冷却されついでジュール
トムソン バルブ９８を通過して分割段階８０の中間水準に流れ込む。

【００２９】第３図の図面に示した装置は製品酸素流と製品窒素流を製造する。 製品酸素流は導出口１００を通り低圧分割段階８０の底部から蒸気として取り出される。 この製品酸素流は熱交換器７２において導入空気との向流式熱交換により、大略常温にまで加温される。 窒素製品流は導出口１０２を通り低圧分割段階８０の頂上部より直接に取り出す。 この窒素流は、高圧分割段階７
８より取り出された液体窒素流に対し、向流方式で、熱交換器８４を通過する。 そしてこの流れに冷却効果をもたらす。 窒素製品流はついで、酸素富化部分の液体流に対し向流方式で熱交換器９６を通り、この液体流に冷却効果をもたらす。 窒素流は次に、主要空気流に対し向流方式で熱交換器７２を通す。 かくして概略常温にまで加温されることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料ガスから動力発生のための第１のプラントを図式的に流れダイヤグラムとして示したものである。

【図２】燃料ガスからの発電の手段を含む第２のプラントの図式的流れダイヤグラムとして示したものである。

【図３】図１及び２に示したプラントで使用する空気分離プラントの図式的流れダイヤグラムである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジヨン・テレンス・ラヴイン イギリス国サリー，ギルドフオード，ボツ クスグローブ・ロード 25