CN113544372A - 氨分解设备、具备该氨分解设备的燃气轮机成套设备、氨分解方法 - Google Patents

氨分解设备、具备该氨分解设备的燃气轮机成套设备、氨分解方法 Download PDF

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Abstract

氨分解设备(50)具备：供通过由燃气轮机(11)产生的热而被加热的热介质流动的热介质管线(85)、供氨流动的氨供给管线(81)、氨分解装置(51)、以及氨去除装置(61)。氨分解装置(51)利用来自热介质管线(85)的热介质的热，对来自氨供给管线(81)的氨进行热解，从而生成含有氢、氮和残留氨的分解气体(DG)。氨去除装置(61)将来自氨分解装置(51)的分解气体(DG)中所包含的残留氨去除。

Description

氨分解设备、具备该氨分解设备的燃气轮机成套设备、氨分解 方法
技术领域
本发明涉及分解氨的氨分解设备、具备该氨分解设备的燃气轮机成套设备、氨分解方法。
本申请基于2019年3月15日在日本申请的特愿2019-049013号而主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
为了保护地球环境而削减CO2排出量，将即使燃烧也不会排出CO2的氢用作燃料成为良好的选择。但是，例如与作为燃气轮机的燃料广泛使用的液化天然气等燃料相比，氢的输送、贮藏并不容易。因此，正在研究将能够转换为氢的氨用作燃料。
在以下的专利文献1中，记载了具备对氨加热而将该氨分解为氢和氮的分解装置的燃气轮机成套设备。该燃气轮机成套设备的分解装置使由泵升压后的液氨与从燃气轮机排出的废气进行热交换，从而对氨进行加热，使该氨热解，得到含有氢和氮的分解气体。该分解气体被直接向燃气轮机的燃烧器引导。
另外，在以下的专利文献2中，记载了具备对氨加热而将该氨分解为氢和氮的加热装置的燃气轮机成套设备。该燃气轮机成套设备的加热装置使液氨与从燃气轮机排出的废气进行热交换，从而对氨进行加热，使该氨热解，形成含有氢和氮的分解气体。该分解气体被导入燃气轮机的燃烧器。热解环境的压力低时，会促进氨的热解。因此，在该专利文献2中，作为氨的热解环境的压力而例示出1MPa。该燃气轮机成套设备为了使来自加热装置的分解气体成为能够导入燃烧器的压力，具备使分解气体升压的分解气体压缩机。在该专利文献2中，作为由分解气体压缩机升压后的分解气体的压力、即作为能够将分解气体导入燃烧器的压力，例示出5MPa。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平04-342829号公报
专利文献2：日本特开2018-076794号公报
发明内容
发明要解决的课题
在通过氨的热解生成的分解气体中，除了氢和氮之外，经常残留有氨。在使分解气体中所包含的残留氨燃烧的情况下，与燃烧用空气反应而生成NOx。NOx会对外部环境产生影响。因此，该NOx的排出量被环境基准等限制。
因此，本发明的目的在于提供一种能够减少残留氨的氨分解设备、具备该氨分解设备的燃气轮机成套设备、氨分解方法。
用于解决课题的方案
作为用于实现上述目的的发明的一个实施方式的氨分解设备具备：热介质管线，其供通过由燃气轮机产生的热而被加热的热介质流动；氨供给管线，其供氨流动；氨分解装置，其与所述热介质管线及所述氨供给管线连接，利用来自所述热介质管线的所述热介质的热，对来自所述氨供给管线的所述氨进行热解，从而生成含有氢、氮和残留氨的分解气体；氨去除装置，其将来自所述氨分解装置的所述分解气体中所包含的所述残留氨去除；以及已处理气体供给管线，其将由所述氨去除装置去除了所述残留氨后的分解气体即已处理气体向气体利用对象引导。
本实施方式的氨分解设备除了对氨进行热解的氨分解装置之外，还具备从含有由该氨分解装置生成的氢、氮和残留氨的分解气体去除残留氨的氨去除装置。因此，在本实施方式中，能够抑制向气体利用对象输送的气体中所包含的残留氨的浓度。
另外，在本实施方式中，在将氨热解时，利用由燃气轮机的驱动产生的热，因此与另行设置产生用于将氨热解的热的专用的设备的情况相比，能够抑制用于使氨分解设备动作的能源成本。
在此，在所述实施方式的氨分解设备中，也可以是，所述氨分解设备具备氨回收管线，所述氨回收管线与所述氨去除装置连接，将由所述氨去除装置去除了的所述残留氨向所述氨供给管线引导。
在本实施方式中，由氨去除装置去除了的残留氨返回到氨供给管线，因此能够将在作为原料的氨中浪费的量抑制为最小限度。
另外，在以上的任意的所述实施方式的氨分解设备中，也可以是，所述氨分解设备具备氨升压机，所述氨升压机设置于所述氨供给管线，将在所述氨供给管线中流动的所述氨升压至比所述气体利用对象内的压力高的压力。
氨的热解低压环境下被促进。因此，考虑在低压环境下对氨进行热解后，为了将分解后的气体向气体利用对象输送而利用升压机进行升压的方法。氨的分解反应后的气体的体积为反应前的氨气的体积的两倍。因此，对分解反应后的气体进行升压的升压机的大小大于对反应前的氨气进行升压的升压机的大小。另外，对分解反应后的气体进行升压的升压机的升压动力大于对反应前的氨气进行升压的升压机的升压动力。即，在该方法中，设备成本及运行成本增加。另一方面，在本实施方式中，由于利用氨升压机将供给到氨分解装置前的氨升压到比气体利用对象内的压力高的压力，因此即使不将分解氨后的气体升压，也能够向气体利用对象内引导。因此，在本实施方式中，能够抑制设备成本及运行成本。
在以上的任意的所述实施方式的氨分解设备中，也可以是，所述氨去除装置具有氨吸收器和氨分离器。在该情况下，所述氨吸收器使来自所述氨分解装置的所述分解气体与水接触而使所述分解气体中的所述残留氨溶解于所述水中，另一方面，排出所述已处理分解气体。另外，在该情况下，所述氨分离器具有分离塔和水加热器。所述分离塔使溶解有所述残留氨的所述水即氨水与水蒸气接触，对所述氨水进行加热，从而从所述氨水分离氨，所述水加热器对从所述氨水分离出氨后的水进行加热而使所述水成为水蒸气，之后使水蒸气返回所述分离塔。
在具备所述水加热器的所述实施方式的氨分解设备中，所述氨分解设备除了作为所述热介质管线的第一热介质管线之外，还具备供通过由所述燃气轮机产生的热而被加热的热介质流动的第二热介质管线。在该情况下，所述水加热器是使从所述氨水分离出氨后的水与来自所述第二热介质管线的热介质进行热交换、从而使所述水成为水蒸气的热交换器。
在本实施方式中，在加热水时利用通过燃气轮机的驱动所产生的热，因此与另行设置产生用于加热水的热的专用的设备的情况相比，能够抑制用于使氨分解设备动作的能源成本。
作为为了实现上述目的的发明的一个实施方式的燃气轮机成套设备具备：以上的任意的所述实施方式的氨分解设备；以及所述燃气轮机。所述燃气轮机具有：空气压缩机，其压缩空气而生成压缩空气；燃烧器，其在所述压缩空气中使燃料燃烧而生成燃烧气体；以及涡轮，其由所述燃烧气体驱动。在该情况下，将所述燃烧器作为所述气体利用对象，所述已处理气体供给管线将所述已处理气体向所述燃烧器引导。
如上所述，本实施方式的氨分解设备能够抑制向气体利用对象输送的气体中所包含的残留氨的浓度。因此，在本实施方式中，能够抑制在作为气体利用对象的燃烧器中通过燃料的燃烧所生成的废气中的NOx浓度。并且，在本实施方式中，通过使不含碳的氢燃烧，能够降低在作为气体利用对象的燃烧器中通过燃料的燃烧所生成的废气中的CO2量。
作为为了实现上述目的的发明的其他实施方式的燃气轮机成套设备具备：以上的任意的所述实施方式的氨分解设备；所述燃气轮机；以及废热回收锅炉，其利用从所述燃气轮机排出的废气的热来产生蒸气。在该情况下，所述热介质管线与所述废热回收锅炉连接，将在所述废热回收锅炉中产生的蒸气作为所述热介质向所述氨分解装置引导。
作为为了实现上述目的的发明的又一实施方式的燃气轮机成套设备具备：具备所述第二热介质管线的所述实施方式的氨分解设备；所述燃气轮机；以及废热回收锅炉，其利用从所述燃气轮机排出的废气的热来产生蒸气。在该情况下，所述第二热介质管线与所述废热回收锅炉连接，将在所述废热回收锅炉中产生的蒸气作为所述热介质向所述水加热器引导。
在此，在作为所述又一实施方式的燃气轮机成套设备中，也可以是，所述第一热介质管线与所述废热回收锅炉连接，将在所述废热回收锅炉中产生的蒸气作为所述热介质向所述氨分解装置引导。
作为为了实现上述目的的发明的一个实施方式的氨分解方法氨分解工序，在该氨分解工序中，利用通过由燃气轮机产生的热而被加热的热介质的热，在氨分解装置内对氨进行热解，从而生成含有氢、氮和残留氨的分解气体；氨去除工序，在该氨去除工序中，去除所述分解气体中所包含的所述残留氨；以及已处理气体供给工序，在该已处理气体供给工序中，将通过所述氨去除工序去除了所述残留氨后的分解气体即已处理气体向气体利用对象引导。
在此，在所述实施方式的氨分解方法中，也可以是，执行氨回收工序，在该氨回收工序中，使通过所述氨去除工序被去除了的所述残留氨与通过所述氨分解工序被热解前的氨合流。
另外，在以上的任意的所述实施方式的氨分解方法中，也可以是，执行氨供给工序，在该氨供给工序中，在将通过所述氨分解工序被热解前的氨升压至比所述气体利用对象内的压力高的压力后，将升压后的氨向所述氨分解装置供给。
另外，在以上的任意的所述实施方式的氨分解方法中，所述氨去除工序包括氨吸收工序和氨分离工序。在该情况下，在所述氨吸收工序中，使通过所述氨分解工序的执行而得到的所述分解气体与水接触而使所述分解气体中的所述残留氨溶解于水中，另一方面，排出所述已处理分解气体。另外，在该情况下，在所述氨分离工序中，包括分离执行工序和水加热工序。在所述分离执行工序中，使溶解有所述残留氨的水即氨水与水蒸气接触，从所述氨水蒸发分离氨。在所述水加热工序中，对从所述氨水分离出氨后的水进行加热，使所述水成为在所述分离执行工序中使用的水蒸气。
在执行所述水加热工序的所述实施方式的氨分解方法中，也可以是，在所述水加热工序中，使从所述氨水分离出氨后的水与通过由所述燃气轮机产生的热而被加热的热介质进行热交换，从而对所述水进行加热。
另外，在以上的任意的所述实施方式的氨分解方法中，也可以是，在所述已处理气体供给工序中，将所述燃气轮机的燃烧器作为所述气体利用对象，将所述已处理气体向所述燃烧器引导。
在以上的任意的所述实施方式的氨分解方法中，也可以是，使所述已处理气体中的残留氨浓度成为如下那样的浓度，即，从所述燃气轮机排出的废气中的氮氧化物浓度低于所期望的浓度。该所期望的值能够决定为成为如下那样的值：废气中的氮氧化物浓度适合于本成套设备的设置地点的氮氧化物浓度的环境限制的值、或者在废气的路径设置脱硝装置的情况下脱硝后的氮氧化物浓度适合于环境限制的值。
发明效果
根据本发明的一个实施方式，能够减少通过氨的热解生成的分解气体中的残留氨。并且，根据本发明的一个实施方式，能够抑制用于使氨分解设备动作的能源成本。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃气轮机成套设备的系统图。
图2是本发明的第一实施方式的氨分解设备的系统图。
图3是表示本发明的第一实施方式的氨分解装置中的氨分解顺序的流程图。
图4是表示氨的热解环境下的各种温度及各种压力与残留氨浓度的关系的曲线图。
图5是表示残留氨浓度与废气中的NOx浓度的预测值的关系的曲线图。
图6是本发明的第二实施方式的燃气轮机成套设备的系统图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的具备氨分解设备的燃气轮机成套设备的各种实施方式及各种变形例进行说明。
[第一实施方式]
参照图1～图5对燃气轮机成套设备的第一实施方式进行说明。
如图1所示，本实施方式的燃气轮机成套设备具备：燃气轮机设备10、废热回收锅炉20、蒸汽轮机设备30、以及氨分解设备50。
燃气轮机设备10具备：燃气轮机11、向燃气轮机11导入燃料的燃料管线12、对在燃料管线12中流动的燃料的流量进行检测的流量计13、对在燃料管线12中流动的燃料进行预热的预热器14、以及对向燃气轮机11供给的燃料的流量进行调节的燃料调节阀15。
燃气轮机11具有：将空气压缩而生成压缩空气的空气压缩机11a、在压缩空气中使燃料燃烧而生成燃烧气体的燃烧器11b、以及由燃烧气体驱动的涡轮11c。燃烧器11b成为能够稳定地燃烧以氢为主要成分的气体燃料的结构。空气压缩机11a具有压缩机转子和覆盖该压缩机转子的压缩机壳体。涡轮11c具有涡轮转子和覆盖该涡轮转子的涡轮壳体。压缩机转子和涡轮转子相互连结而构成燃气轮机转子11d。燃料管线12与燃烧器11b连接。在该燃料管线12设置有上述的流量计13、预热器14、以及燃料调节阀15。
废热回收锅炉20具有：供来自燃气轮机11的废气EG流动的锅炉框21、低压蒸气产生系统22、中压蒸气产生系统23、第一高压蒸气产生系统26、第二高压蒸气产生系统27、中压泵24、以及高压泵28。在此，将与锅炉框21内的废气EG的流动相关的上游侧简称为上游侧，将其相反侧称为下游侧。在锅炉框21的最下游侧的端部连接有将废气EG向大气排出的烟囱29。
低压蒸气产生系统22具有：节煤器22a、蒸发器22b、以及过热器22c。节煤器22a使水与废气EG进行热交换，将水加热而使其成为热水。蒸发器22b使来自节煤器22a的热水的一部分与废气EG进行热交换，将水加热而使使其成为水蒸气。过热器22c使来自蒸发器22b的水蒸气与废气EG进行热交换，使水蒸气过热。节煤器22a、蒸发器22b的至少一部分、过热器22c均配置在锅炉框21内。节煤器22a、蒸发器22b的至少一部分、过热器22c以该顺序从下游侧向上游侧排列。
中压蒸气产生系统23、第一高压蒸气产生系统26、第二高压蒸气产生系统27虽未图示，但均与低压蒸气产生系统22同样地具有节煤器、蒸发器、以及过热器。中压泵24将来自低压蒸气产生系统22的节煤器22a的热水的一部分升压后，向中压蒸气产生系统23的节煤器输送。高压泵28将来自低压蒸气产生系统22的节煤器22a的热水的另一部分升压后，向第一高压蒸气产生系统26的节煤器及第二高压蒸气产生系统27的节煤器输送。
在各蒸气产生系统22、23、26、27的过热器之中，第一高压蒸气产生系统26的过热器在锅炉框21内配置在比其他过热器靠上游侧的位置。第二高压蒸气产生系统27的过热器在锅炉框21内配置在比第一高压蒸气产生系统26的过热器靠下游侧的位置。中压蒸气产生系统23的过热器在锅炉框21内配置在比第二高压蒸气产生系统27的过热器靠下游侧的位置。低压蒸气产生系统22的过热器22c在锅炉框21内配置在比中压蒸气产生系统23的过热器靠下游侧的位置。
蒸汽轮机设备30具有：低压蒸汽轮机31、中压蒸汽轮机32、高压蒸汽轮机33、凝汽器35、以及凝汽泵36。低压蒸汽轮机31具有低压蒸汽轮机转子和覆盖低压蒸汽轮机转子的壳体。中压蒸汽轮机32具有中压蒸汽轮机转子和覆盖中压蒸汽轮机转子的壳体。高压蒸汽轮机33具有高压蒸汽轮机转子和覆盖高压蒸汽轮机转子的壳体。低压蒸汽轮机转子、中压蒸汽轮机转子、以及高压蒸汽轮机转子相互连结而构成一个蒸汽轮机转子34。在该蒸汽轮机转子34的一端连结有上述的燃气轮机转子11d。另外，在该蒸汽轮机转子34的另一端连接有发电机39。
第二高压蒸气产生系统27的过热器与高压蒸汽轮机33的蒸气入口通过高压蒸气管线43连接。中压蒸气产生系统23的过热器与中压蒸汽轮机32的蒸气入口通过中压蒸气管线42连接。中压蒸汽轮机32的蒸气入口还通过高压排出蒸气管线44与高压蒸汽轮机33的蒸气出口连接。低压蒸气产生系统22的过热器22c与低压蒸汽轮机31的蒸气入口通过低压蒸气管线41连接。低压蒸汽轮机31的蒸气入口还通过中压排出蒸气管线45与中压蒸汽轮机32的蒸气出口连接。在低压蒸汽轮机31的蒸气出口连接有上述的凝汽器35。该凝汽器35使从低压蒸汽轮机31排出的蒸气恢复为液相的水。凝汽器35与低压蒸气产生系统22的节煤器22a通过供水管线47连接。在该供水管线47中设置有上述的凝汽泵36。
氨分解设备50具备：氨供给管线81、氨升压机80、氨分解装置51、氨去除装置61、以及已处理气体供给管线82。
氨供给管线81将储存液氨的氨罐T与氨分解装置51连接。储存于氨罐T的液氨例如是以氢为原料制成的。该氢例如是通过使用由风力、太阳光等可再生能源产生的电力对水进行电解而得到的氢、或者通过对天然气进行水蒸气改性而得到的氢。氢与液化天然气相比，其输送、贮藏不容易。因此，使用如上那样得到的氢来制造其输送、贮藏容易的液氨，并将该液氨储存于氨罐T。氨升压机80设置于氨供给管线81。该氨升压机80是泵。氨升压机80对在氨供给管线81中流动的液氨进行升压。氨分解装置51利用第一热介质M1的热，对来自氨供给管线81的氨进行热解，从而生成含有氢、氮和残留氨的分解气体DG。氨去除装置61去除来自氨分解装置51的分解气体DG中所包含的残留氨。需要说明的是，以下，将由氨去除装置61去除了残留氨后的分解气体DG作为已处理气体PG。已处理气体供给管线82将已处理气体PG向气体利用对象引导。
本实施方式的气体利用对象是燃气轮机11的燃烧器11b。如上所述，在该燃烧器11b连接有燃料管线12。上述的已处理气体供给管线82连接氨去除装置61与燃料管线12。在该燃料管线12还连接有供启动时燃料SF流动的启动时燃料管线16。
如图2所示，氨分解装置51具有氨加热器52和氨分解器53。
氨加热器52设置在氨供给管线81中。该氨加热器52是使在氨供给管线81中流动的液氨与分解气体DG进行热交换的热交换器。氨加热器52通过液氨与分解气体DG的热交换来对液氨进行加热，从而使该液氨成为气相的氨。
氨分解器53是使来自氨供给管线81的气相的氨与第一热介质M1进行热交换的热交换器。该氨分解器53通过氨与第一热介质M1的热交换来对氨进行加热，从而使氨热解，生成含有氢、氮和残留氨的分解气体DG。该氨分解器53内被由传热管等形成的传热壁分隔为供氨或分解气体DG流动的对象气体空间、以及供第一热介质M1流动的介质空间。传热壁例如由Ni钢形成。在对象气体空间内填充有用于促进氨的热解的催化剂。该催化剂具有使分解反应活化的催化剂成分和承载催化剂成分的载体。作为催化剂成分，例如有Ru等贵金属的颗粒、含有Ni、Co、Fe等过渡金属的金属颗粒。作为载体，有Al2O3、ZrO2、Pr2O3、La2O3、MgO等氧化金属。需要说明的是，催化剂只要是使氨的分解反应活化的催化剂，则限定于以上例示出的催化剂。
在氨分解器53连接有将在氨分解器53内产生的分解气体DG向氨去除装置61引导的分解气体管线54。上述的氨加热器52设置在该分解气体管线54中。因此，在氨加热器52内，与液氨进行热交换的热交换对象即分解气体DG是从氨分解器53经由分解气体管线54而来的分解气体DG。
如图1及图2所示，氨分解设备50还具备第一热介质管线85和第一热介质回收管线86。
第一热介质管线85连接第一高压蒸气产生系统26的过热器与氨分解装置51的氨分解器53。该第一热介质管线85将来自第一高压蒸气产生系统26的过热器的第一高压蒸气HS1向氨分解器53引导。氨分解器53将来自该第一热介质管线85的第一高压蒸气HS1作为第一热介质M1而用于氨的热解。第一热介质回收管线86连接氨分解器53与中压蒸气管线42。该第一热介质回收管线86将由氨分解器53利用后的第一高压蒸气HS1向中压蒸气管线42内引导。
如图2所示，氨去除装置61具有氨吸收器62和氨分离器72。
氨吸收器62具有：分解气体冷却器63、吸收塔64、水管线65、水供给泵66、以及水冷却器67。上述的分解气体管线54与吸收塔64连接。分解气体冷却器63在分解气体管线54中设置在比氨加热器52靠吸收塔64侧的位置。该分解气体冷却器63对通过与氨加热器52内的液氨的热交换而冷却了的分解气体DG进一步进行冷却。吸收塔64具有吸收塔容器64v和填充物64p。填充物64p配置在吸收塔容器64v内的上下方向的中间流域。分解气体管线54与该吸收塔容器64v中的比中间区域靠下侧的位置连接。水管线65在吸收塔容器64v中与比中间区域靠上侧的位置连接。在该水管线65设置有：对在该水管线65中流动的水进行升压的水供给泵66、以及对在该水管线65中流动的水进行冷却的水冷却器67。在吸收塔容器64v的顶部连接有上述的已处理气体供给管线82。因此，已处理气体供给管线82连接吸收塔64与燃料管线12。
在吸收塔容器64v内，从该吸收塔容器64v的比中间区域靠下侧的位置流入由分解气体冷却器63冷却后的分解气体DG。并且，在该吸收塔容器64v内，从该吸收塔容器64v的比中间区域靠上侧的位置散布由水冷却器67冷却后的水。流入到吸收塔容器64v内的分解气体DG在吸收塔容器64v内上升。另一方面，散布在吸收塔容器64v内的水在该吸收塔容器64v内下降。水在吸收塔容器64v内下降的过程中与填充物64p接触。与填充物64p接触的水形成覆盖填充物64p的表面的水膜。分解气体DG在吸收塔容器64v内上升的过程中与覆盖填充物64p的表面的水膜接触。在该过程中，分解气体DG中所含的残留氨溶解于水中。作为溶解有残留氨的水的氨水积存在吸收塔容器64v的下部。作为去除了残留氨后的分解气体DG的已处理气体PG在吸收塔容器64v内上升，向已处理气体供给管线82流入。
氨分离器72具有：氨水管线73、氨水加热器74、分离塔75、水循环管线76、水加热器77、以及冷凝器78。氨水管线73的一端与吸收塔容器64v的底部连接。分离塔75具有分离塔容器75v和多孔板型的塔板层75p。构成塔板层75p的多个层在分离塔容器75v内的上下方向上的中间流域沿上下方向排列配置。上述的氨水管线73的另一端与构成塔板层75p的多个层中的中间的层连接。水循环管线76的一端与分离塔容器75v的底部连接，水循环管线76的另一端与分离塔容器75v中的比底部靠上侧且比中间区域靠下侧的位置连接。水加热器77设置于该水循环管线76。该水加热器77是使在水循环管线76中流动的水与第二热介质M2进行热交换的热交换器。水加热器77通过水与第二热介质M2的热交换来对水进行加热，从而使该水成为水蒸气。该水蒸气经由水循环管线76向分离塔容器75v内流入。
从分离塔容器75v的比中间区域靠下侧的位置向该分离塔容器75v内流入水蒸气。并且，在该分离塔容器75v内，从塔板层75p的中间的层散布来自氨水管线73的氨水。流入到分离塔容器75v内的水蒸气在分离塔容器75v内上升。从塔板层75p的中间的层散布的氨水在塔板层75p的各层形成液层，并且逐渐向下边的层流下。水蒸气经由设置在塔板层75p的各层的多个孔，一边与氨水进行气液接触一边上升，从而对氨水进行加热。比水容易蒸发的氨被作为气相的水的水蒸气加热而从液相转变为气相，水从气相转变为液相。气相的氨在分离塔75内上升。另外，液相的水、更准确地说氨浓度低的水积存在分离塔容器75v的下部。该水的一部分经由水循环管线76及水加热器77，作为水蒸气再次向分离塔容器75v内流入。
在水循环管线76连接有氨吸收器62的水管线65。因此，积存在分离塔容器75v的下部的水的一部分经由水循环管线76再次返回到分离塔容器75v内，积存在分离塔容器75v的下部的水的另一部分经由水循环管线76及水管线65向吸收塔64内流入。
氨水加热器74设置于氨水管线73。该氨水加热器74是使在氨水管线73中流动的氨水与在水管线65中流动的水进行热交换的热交换器。氨水加热器74通过氨水与水的热交换来对氨水进行加热。被加热的氨水如上所述散布在分离塔容器75v内。另一方面，通过与氨水的热交换而被冷却的水经由水管线65、水供给泵66、以及水冷却器67散布在吸收塔容器64v内。
如图1及图2所示，氨分解设备50还具备：氨回收管线83、氨压缩机84、第二热介质管线87、以及第二热介质回收管线88。
氨回收管线83的一端与分离塔容器75v的顶部连接，氨回收管线83的另一端与氨供给管线81连接。氨压缩机84对在氨回收管线83中流动的气相的氨进行升压。由氨压缩机84升压后的气相的氨与在氨供给管线81中流动的气相的氨合流后，向氨分解器53流入。冷凝器78设置于氨回收管线83。该冷凝器78对在氨回收管线83流动的含有气相的氨的气体进行冷却，使该气体中的水分及氨冷凝。由冷凝器78冷凝后的水经由水回收管线79，返回到分离塔容器75v内的比塔板层75p靠上的空间。塔板层75p的层数是根据该高浓度的氨水成为所期望的浓度的微量的氨水所需的层数来计划的。需要说明的是，从氨水管线73供给的氨水的浓度比从冷凝器78排出的高浓度的氨水的浓度低。因此，从氨水管线73供给的氨水的分离所需的塔板层的层数比根据来自冷凝器78的高浓度的氨水计划的层数少。因此，从氨水管线73供给的氨水的连接目的地为构成塔板层75p的多个层中的中间的层。
第二热介质管线87连接中压蒸气管线42与水加热器77。该第二热介质管线87将在中压蒸气管线42中流动的中压蒸气IS向水加热器77引导。水加热器77将来自该第二热介质管线87的中压蒸气IS作为第二热介质M2而用于水的加热。第二热介质回收管线88连接水加热器77与废热回收锅炉20的中压泵24的吸入口。该第二热介质回收管线88利用水加热器77，将中压蒸气IS通过与水的热交换而冷凝生成的热水向中压泵24引导。
接着，对以上说明的燃气轮机成套设备的动作及作用进行说明。
在燃气轮机11启动时，经由启动时燃料管线16及燃料管线12，向燃烧器11b供给启动时燃料SF。作为启动时燃料SF，例如为氢、天然气等。如上所述，燃气轮机11的空气压缩机11a压缩空气而生成压缩空气。燃烧器11b在该压缩空气中使启动时燃料SF燃烧而生成燃烧气体。该燃烧气体被供给到涡轮11c以驱动该涡轮11c。驱动涡轮11c后的燃烧气体即废气EG向废热回收锅炉20的锅炉框21内流入。
在废热回收锅炉20的各蒸气产生系统22、23、26、27中，使在锅炉框21内流动的废气EG与水进行热交换，从而使液相的水成为水蒸气。来自低压蒸气产生系统22的节煤器22a的热水的一部分在由高压泵28升压后，被向第一高压蒸气产生系统26及第二高压蒸气产生系统27输送。输送到第一高压蒸气产生系统26的热水通过与废气EG的热交换而成为第一高压蒸气HS1。该第一高压蒸气HS1例如是约620℃的过热蒸气。该第一高压蒸气HS1作为第一热介质M1，经由第一热介质管线85向氨分解器53流入。输送到第二高压蒸气产生系统27的热水通过与废气EG的热交换而成为第二高压蒸气HS2。该第二高压蒸气HS2例如是约400℃的过热蒸气。该第二高压蒸气HS2经由高压蒸气管线43被向高压蒸汽轮机33供给。高压蒸汽轮机33由该第二高压蒸气HS2驱动。
来自低压蒸气产生系统22的节煤器22a的热水的一部分在由中压泵24升压后，被向中压蒸气产生系统23输送。输送到中压蒸气产生系统23的热水通过与废气EG的热交换而成为中压蒸气IS。该中压蒸气IS例如是300℃的过热蒸气。该中压蒸气IS的一部分作为第二热介质M2，经由中压蒸气管线42及第二热介质管线87，向氨分离器72的水加热器77流入。该中压蒸气IS的残留经由中压蒸气管线42被向中压蒸汽轮机32供给。另外，从高压蒸汽轮机33排出的蒸气经由高压排出蒸气管线44被向中压蒸汽轮机32供给。即，向中压蒸汽轮机32供给来自中压蒸气产生系统23的中压蒸气IS、以及从高压蒸汽轮机33排出的蒸气。中压蒸汽轮机32由供给到该中压蒸汽轮机32的蒸气驱动。
来自低压蒸气产生系统22的节煤器22a的热水的一部分在该低压蒸气产生系统22的蒸发器22b中被废气EG加热而成为蒸气。该蒸气在该低压蒸气产生系统22的过热器22c中成为被废气EG过热后的低压蒸气LS。该低压蒸气LS例如是250℃的过热蒸气。该低压蒸气LS经由低压蒸气管线41向低压蒸汽轮机31供给。另外，从中压蒸汽轮机32排出的蒸气经由中压排出蒸气管线45向低压蒸汽轮机31供给。即，向低压蒸汽轮机31供给来自低压蒸气产生系统22的低压蒸气LS、以及从中压蒸汽轮机32排出的蒸气。低压蒸汽轮机31由供给到该低压蒸汽轮机31的蒸气驱动。
从低压蒸汽轮机31排出的蒸气在凝汽器35中恢复为水。凝汽器35内的水经由供水管线47被向低压蒸气产生系统22的节煤器22a输送。
若向各蒸汽轮机31、32、33、氨分解器53、以及氨分离器72的水加热器77充分供给来自废热回收锅炉20的蒸气，则氨罐T内的液氨经由氨供给管线81被向氨分解装置51供给。以下，按照图3所示的流程图，对由氨分解设备50进行的氨分解的顺序进行说明。
液氨在被冷却至沸点即-33.4℃以下的温度的状态下且在大致大气压的状态下贮藏在氨罐T内。该氨罐T内的液氨通过氨升压机80升压到例如5.2MPa(绝对压力)左右后，被向氨分解装置51供给(S1：氨供给工序)。氨升压后的压力是考虑到液氨成为已处理气体PG、且该已处理气体PG在流入到燃烧器11b为止的路径中的配管、各种设备中的压力损失而决定的压力，是即使不使已处理气体PG增压，也能够向压缩空气流入的燃烧器11b内供给已处理气体PG的压力。因此，该压力是比作为气体利用对象的燃烧器11b内的压力高的压力。
液氨在由氨升压机80升压后，流入氨分解装置51，该液氨被分解(S2：氨分解工序)。在该氨分解工序(S2)中，执行氨预热工序(S3)及氨分解执行工序(S4)。由氨升压机80升压后的液氨向氨分解装置51的氨加热器52流入。流入到氨加热器52的液氨在此被加热至约400℃。液氨若在由氨升压机80升压后的压力环境下达到90℃以上，则蒸发而成为气体氨。因此，液氨被氨加热器52加热，成为约400℃的气体氨(S3：氨预热工序)。
约400℃的气体氨向氨分解装置51的氨分解器53流入。在该氨分解器53中，约400℃的气体氨与来自第一高压蒸气产生系统26的约620℃的第一高压蒸气HS1进行热交换。作为第一热介质M1的第一高压蒸气HS1通过热交换被冷却至约400℃，经由第一热介质回收管线86及中压蒸气管线42，向中压蒸汽轮机32流入。另一方面，气体氨通过热交换被加热至约600℃，气体氨的一部分被热解为氢和氮(S4：氨分解执行工序)。通过该热解，生成含有氢、氮和残留氨的分解气体DG。
约600℃的分解气体DG之后向氨加热器52流入，在该氨加热器52中与液氨进行热交换。因此，如上所述，液氨被加热，成为约400℃的气体氨，另一方面，分解气体DG被冷却，成为约50℃。以上，结束氨分解工序(S2)。
在此，对气体氨的热解反应进行简单说明。如下式所示，热解反应是反应后的摩尔数增加的反应，因此在压力低时会被促进。换言之，该热解反应在压力高时被抑制。另外，该热解反应是吸热反应，因此在高温时会被促进。
NH3→3/2H2+1/2N2-46kJ/mol
上述式子的左边的NH3的发热量为317kJ。另一方面，上述式子的右边的3/2H2的发热量为363kj。因此，通过热解反应，发热量增加46kJ。因此，没有伴随氨的热解反应的原理上的效率降低。
在此，参照图4所示的曲线图对在各种条件下的气体氨的热解反应后残留的残留氨浓度进行说明。需要说明的是，在该曲线图中，横轴是热解反应环境的温度(Temperature[deg-C])，纵轴是残留氨浓度(Concentration of Ammonia[％])。该曲线图是使热解反应环境的温度和压力变化、并使用热解反应的平衡系数对与各温度及各压力对应的浓度进行估算而得的结果。本实施方式的热解反应环境的温度为600℃，该热解反应环境的压力为5.2MPa。因此，在本实施方式中，热解反应后的残留氨浓度为约4％。因此，从氨分解器53流出的分解气体DG含有约72mol％的氢、约24mol％的氮、以及约4mol％的残留氨。
在氨分解工序(S2)结束时，执行从在该氨分解工序(S2)中得到的分解气体DG去除残留氨的氨去除工序(S5)。在氨去除工序(S5)中，执行氨吸收工序(S6)和氨分离工序(S10)。
在氨吸收工序(S6)中，首先，约50℃的分解气体DG被氨吸收器62的分解气体冷却器63冷却，变成约30℃(S7：分解气体冷却工序)。该分解气体DG向氨吸收器62的吸收塔64流入。在该吸收塔64内，散布由水冷却器67冷却后的约30℃的水。在吸收塔64内，如上所述，分解气体DG与水接触，分解气体DG中的残留氨溶解于水中。作为溶解有残留氨的水的氨水积存在吸收塔容器64v的下部(S8：氨吸收执行工序)。该氨水中的氨浓度为约10mol％。气相的氨溶解于水中的浓度由气液平衡常数决定。该气相的氨在水中溶解的浓度在低温时变高。因此，使流入到吸收塔64内的分解气体DG的温度及水的温度为约30℃。
以上，结束氨吸收工序(S6)。
作为去除残留氨后的分解气体DG的已处理气体PG在吸收塔容器64v内上升，向已处理气体供给管线82流入。在本实施方式中，通过使散布在吸收塔64内的水的质量流量与流入到吸收塔64内的分解气体DG的质量流量为相同程度，从而使已处理气体PG中所包含的残留氨的浓度为约0.03mol％。
在燃气轮机11启动时，氨分解器53及内部的流体的温度低，是难以引起氨的分解反应的条件，从氨分解器53产生的分解气体DG的组成的大部分成为残留氨成分。残留氨成分在吸收塔64中被去除，因此从已处理气体供给管线82向燃气轮机11供给的已处理气体PG的流量成为比计划值少的状态。若在燃气轮机11启动开始后经过时间而从废热回收锅炉20向氨分解器53供给规定量的第一热介质M1，则氨分解器53及内部的流体的温度达到计划值，促进氨的分解反应。其结果是，分解气体DG的组成的大部分成为氢及氮，从吸收塔64生成充分流量的已处理气体PG。伴随该过程，向燃烧器11b供给的燃料从启动时燃料SF逐渐切换为已处理气体PG。即，若充分生成该已处理气体PG，则停止启动时燃料SF向燃烧器11b的供给，并经由已处理气体供给管线82及燃料管线12向燃烧器11b供给已处理气体PG(S9：已处理气体供给工序)。需要说明的是，在本实施方式中，为了确保从启动时燃料SF向已处理气体PG切换时的向燃烧器11b的燃料供给的稳定性，也可以在启动时燃料管线16与已处理气体线82的合流部设置燃料气体用的缓冲器。被供给到燃烧器11b的已处理气体PG在燃烧器11b内燃烧。通过该燃烧所生成的燃烧气体的温度为1650℃级。该燃烧气体向涡轮11c流入，使涡轮11c驱动。
从涡轮11c排出的废气EG向废热回收锅炉20流入。在废热回收锅炉20的低压蒸气产生系统22中，与上述同样地，利用废气EG对水进行加热而生成低压蒸气LS。该低压蒸气LS为约250℃的过热蒸气。在废热回收锅炉20的中压蒸气产生系统23中，与上述同样地，利用废气EG对水进行加热而生成中压蒸气IS。该中压蒸气IS为约300℃的过热蒸气。在废热回收锅炉20的第二高压蒸气产生系统27中，与上述同样地，利用废气EG对水进行加热而生成第二高压蒸气HS2。该第二高压蒸气HS2为约400℃的过热蒸气。在废热回收锅炉20的第一高压蒸气产生系统26中，与上述同样地，利用废气EG对水进行加热而生成第一高压蒸气HS1。该第一高压蒸气HS1为约620℃的过热蒸气。如上所述，该第一高压蒸气HS1作为第一热介质M1向氨分解器53流入。另外，如上所述，中压蒸气IS的一部分作为第二热介质M2向氨分离器72的水加热器77流入。
在此，参照图5所示的曲线图对燃料中所包含的残留氨浓度与从燃气轮机11排出的废气EG中的NOx浓度的关系进行说明。需要说明的是，在该曲线图中，横轴是残留氨浓度(Concentration of Ammonia[％])，纵轴是废气EG中的NOx浓度的预测值(NOx Prediction[ppm@15％O2])。该NOx浓度的预测值是发明人利用CHEMKIN的PREMIX代码对一维层流预混合火焰进行模型化计算而得到的值。需要说明的是，CHEMKIN是计算程序。关于该CHEMKIN，在以下的资料中详细进行了解说。
资料：R.J.Kee，F.M.Rupley，and J.A.Miller，Chemkin-II：A Fortran ChemicalKinetics Package for the Analysis of Gas-Phase Chemical Kinetics，SandiaReport，SAND89-8009B(1995)
在本实施方式中，由于燃料中的残留氨浓度为0.03mol％以下，因此根据图5所示的曲线图，能够预测燃气轮机11出口处的NOx浓度为约80ppm以下。因此，在本实施方式的燃气轮机成套设备中，通过在废热回收锅炉20的内部或外部设置脱硝装置，能够将烟囱29的出口处的NOx浓度抑制为更低的所期望的浓度，能够适合于全世界的多个地域的氮氧化物浓度限制。
当氨吸收工序(S6)结束时，执行从在氨吸收工序(S6)中生成的氨水分离氨的上述的氨分离工序(S10)。
在氨分离工序(S10)中，首先，积存在吸收塔容器64v的下部的约30℃的氨水向氨水加热器74流入。在该氨水加热器74中，约30℃的氨水通过与约210℃的水的热交换被加热至约190℃(S11：氨水加热工序)。
加热至约190℃的氨水向分离塔75内流入。该分离塔75是为了使用水蒸气从氨水对氨进行分离蒸馏而设置的设备。因此，为了降低水的饱和温度，使分离塔容器75v内的运转压力为约2MPa。吸收塔容器64v内的运转压力如上所述为约5.2MPa。将吸收塔容器64v内的压力与分离塔容器75v内的压力的压力差作为驱动力，吸收塔容器64v内的氨水经由氨水管线73，向分离塔容器75v内流入。在分离塔容器75v内，进一步从分离塔容器75v的下部流入约250℃的水蒸气。如上所述，散布在吸收塔64内的水的质量流量与流入到吸收塔64内的分解气体DG的质量流量为相同程度，因此流入到分离塔75内的氨水的质量流量也与流入到吸收塔64内的分解气体DG的质量为相同程度。从该质量流量的氨水对蒸馏分离氨所需的水蒸气的质量流量为氨水的质量流量的40％左右。
氨水在分离塔容器75v内如上述那样被水蒸气加热，氨水中的氨从液相转变为气相，在分离塔容器75v内上升(S12：氨分离执行工序)。另一方面，水蒸气转变为液相的水，积存在分离塔容器75v的下部。该水的温度为约210℃。另外，该水中的氨浓度为0.05mol％。该水的一部分经由水循环管线76向水加热器77流入。在水加热器77中，该水与来自中压蒸气产生系统23的约300℃的中压蒸气IS进行热交换。作为第二热介质M2的中压蒸气IS通过热交换被冷却并冷凝，成为热水。该热水经由第二热介质回收管线88向中压泵24流入。该热水与来自低压蒸气产生系统22的节煤器22a的热水一起在由中压泵24升压后，向中压蒸气产生系统23的节煤器流入。另一方面，流入到水加热器77的水通过与作为第二热介质M2的低压蒸气LS的热交换，被加热至约250℃，成为水蒸气(S13：水加热工序)。该水蒸气经由水循环管线76被向分离塔75输送。
积存在分离塔容器75v的下部的约210℃的水的另一部分经由水管线65向氨水加热器74流入。在该氨水加热器74中，如上所述，该约210℃的水与在氨水管线73中流动的约30℃的氨水进行热交换。通过该热交换，水被冷却至约50℃，另一方面，如上所述，氨水被加热至190℃。以上，结束氨分解工序(S10)。需要说明的是，在氨水加热器74中冷却后的约50℃的水在通过水供给泵66升压后，向水冷却器67流入，并被该水冷却器67冷却而成为约30℃。该30℃的水如上所述被向吸收塔64内散布。
分离塔容器75v内的含有气相的氨的气体经由与分离塔容器75v的顶部连接的氨回收管线83向冷凝器78流入。在冷凝器78中，该气体被冷却，该气体所含的水分及氨冷凝，成为高浓度的氨水。该高浓度的氨水经由水回收管线79，返回到分离塔容器75v内的比塔板层75p靠上的空间。该高浓度的氨水在塔板层75p的各层流下，与从下方的层供给的水蒸气进行气液接触，氨优先蒸发。其结果是，水中的氨浓度逐渐降低，在通过最下部的塔板层时成为氨浓度为0.05mol％以下的热水。另一方面，由冷凝器78去除了水分等的气体、即气相的氨浓度高的气体，在由设置于氨回收管线83中的氨压缩机84升压后，经由氨供给管线81向氨分解器53流入(S14：氨回收工序)。如上那样，在本实施方式中，由氨去除装置61去除的残留氨返回到氨供给管线81，因此能够将在作为原料的氨中浪费的量抑制为最小限度。
以上，结束由氨分解设备50进行的氨分解的一系列的处理。
接着，参照表1对本实施方式的燃气轮机成套设备的性能预测结果进行说明。需要说明的是，该表是将本实施方式的燃气轮机成套设备中的预测性能值与一般的天然气焚烧燃气轮机联合循环成套没备中的性能值进行比较的表。
[表1]
Figure BDA0003252536370000201
在本实施方式中，在向燃烧器11b供给的燃料之中，氢为约75％，氮为约25％。该燃料的发热量为约18lkJ/mol，与一般的天然气的发热量即约835kJ/mol相比，约为1/5。其结果是，在一般的天然气焚烧的燃气轮机中，燃料流量相对于压缩机的吸气流量的摩尔比例为5％以下。另一方面，在本实施方式中，燃料流量相对于压缩机的吸气流量的摩尔比例为20％以上。为了在燃烧器11b中生成所期望的温度的燃烧气体，需要供给具有与供给到燃烧器11b的压缩空气与燃料的摩尔流量的合计值大致成比例的热量的燃料。因此，本实施方式的燃烧器11b入口所需的燃料的热量与天然气焚烧的情况相比，为109.2％。但是，如上所述，通过氨的分解反应，反应后的分解气体DG的发热量为1.14倍，因此在成套设备的入口处的氨的投入热量与天然气焚烧的情况相比为95.2％即可。
如上所述，在本实施方式中，投入燃烧器11b的燃料的体积流量与天然气焚烧的情况相比大幅增加，由此，涡轮11c的废气流量成为天然气焚烧时的情况下的废气流量的103.7％。因此，在本实施方式中，涡轮11c的气体路径中的压力损失与天然气焚烧的情况相比增大。其结果是，本实施方式的涡轮11c的压力比成为天然气焚烧情况下的压力比的106.3％。当涡轮11c的压力比变高时，在涡轮11c中膨胀的流体的热降也变大，涡轮11c废气温度与天然气焚烧情况下的涡轮11c废气温度相比低14℃。即，在本实施方式中，与天然气焚烧的情况相比，涡轮11c的工作流体的体积流量增加3.7％，燃气轮机11的压力比增加6.3％，涡轮11c废气温度降低14℃。因此，在本实施方式中，通过以上的协同效果，燃气轮机输出成为天然气焚烧情况下的燃气轮机输出的117％。
但是，在本实施方式中，通过氨分解设备50消耗在第一高压蒸气产生系统26中产生的过热蒸气以及在中压蒸气产生系统23中产生的过热水蒸气的一部分。因此，本实施方式的蒸汽轮机31、32、33的输出成为天然气焚烧情况下的蒸汽轮机输出的39％。因此，作为本实施方式的燃气轮机联合循环成套设备的输出为天然气焚烧情况下的燃气轮机联合循环成套设备的93.2％左右。
如上所述，成套设备的入口处的氨的投入热量为天然气焚烧时的95.2％，因此本实施方式的成套设备整体的发电端效率为天然气焚烧情况下的成套设备整体的发电端效率的97.4％左右(相对值)。1650℃级的天然气焚烧情况下的燃气轮机联合循环成套设备的发电端效率为63％(LHV基准)以上。另一方面，本实施方式的成套设备的发电端效率为60％(LHV基准)以上。这样，通过利用作为氢的能量载体之一的氨，能够提供高效且大幅削减二氧化碳的排出的成套设备。
如上那样，本实施方式的氨分解设备50除了对氨进行热解的氨分解装置51之外，还具备从含有由该氨分解装置51生成的氢、氮和残留氨的分解气体DG去除残留氨的氨去除装置61。因此，在本实施方式中，能够抑制向气体利用对象输送的气体中所包含的残留氨的浓度。因此，在本实施方式中，也能够抑制在作为气体利用对象的燃烧器11b中通过燃料的燃烧所生成的废气EG中的NOx浓度。并且，在本实施方式中，在作为气体利用对象的燃烧器11b中，将不含碳的分解气体用作燃料，因此能够降低由于该燃料的燃烧而生成的废气EG中的CO2量。
另外，在本实施方式中，在热解氨时利用由燃气轮机11的驱动产生的热，因此与另行设置产生用于热解氨的热的专用设备的情况相比，能够抑制用于使氨分解设备50动作的能源成本。
如上所述，在氨的分解反应时，低压环境下能够促进氨的热解。因此，通过在低压环境下对氨进行热解，能够在不设置氨去除装置61的情况下使残留氨的浓度为与本实施方式相同程度(0.03mol％)。为了不设置氨去除装置61而使残留氨的浓度为与本实施方式相同程度(0.03mol％)，如图4所示的曲线图可以理解，例如需要使氨分解环境下的压力为0.1MPa、使氨分解环境下的温度为650℃。因此，若想要不设置氨去除装置61而使残留氨的浓度为与本实施方式相同程度，则需要使氨分解环境下的温度比本实施方式高，并且为了将分解了氨后的气体向气体利用对象引导，需要利用升压机对该气体进行升压。氨的分解反应是反应后的摩尔数为反应前的摩尔数的2倍的反应。对燃料气体进行升压的升压机的流路截面积与气体的体积流量大致成比例，因此为了对分解后的分解气体进行升压，与分解前升压的情况相比，需要具有约2倍的流路截面积的大型的升压机(压缩机)。另外，对通过氨气的分解得到的燃料气体进行升压的升压机的动力与气体的体积流量大致成比例，因此，成为对分解前的氨气进行升压时的动力的约2倍。即，在该方法中，增加了设备成本及运行成本。另一方面，在本实施方式中，利用作为泵的氨升压机80将供给到氨分解装置51之前的氨升压到比作为燃烧器11b的气体利用对象内的压力高的压力，因此即使不将分解氨之后的气体升压，也能够向气体利用对象内引导。因此，在本实施方式中，能够抑制设备成本及运行成本。
在本实施方式中，作为启动时燃料SF，假定为氢、天然气。但是，作为启动时燃料SF，例如也可以使用轻油等液体燃料。在该情况下，不能通过共用的配管将作为气体燃料的已处理气体PG和液体燃料向燃烧器11b输送。因此，在该情况下，需要另行设置用于将液体燃料向燃烧器11b供给的配管。
[第二实施方式]
参照图6对燃气轮机成套设备的第二实施方式进行说明。
在第一实施方式的燃气轮机成套设备中，在燃气轮机11启动时使用天然气等启动时燃料SF，在启动时以后的稳定运转时等仅使用已处理气体PG。另一方面，在本实施方式的燃气轮机成套设备中，不仅在启动时，在稳定运转时等也使用天然气NG。但是，在本实施方式的燃气轮机成套设备中，在稳定运转时，在天然气NG中混合已处理气体PG而将该混合气体用作燃料。
如图6所示，本实施方式的燃气轮机成套设备也与第一实施方式的燃气轮机成套设备同样地具备：燃气轮机设备10、废热回收锅炉20、蒸汽轮机设备30、以及氨分解设备50。
本实施方式的燃气轮机设备10的结构与第一实施方式的燃气轮机设备10的结构基本相同。本实施方式的蒸汽轮机设备30的结构与第一实施方式的蒸汽轮机设备30的结构基本相同。
本实施方式的氨分解设备50的结构与第一实施方式的氨分解设备50的结构稍有不同。本实施方式的氨分解设备50也与第一实施方式的氨分解设备50同样地具备：氨供给管线81、氨升压机80、氨分解装置51、氨去除装置61、以及已处理气体供给管线82。本实施方式的氨分解设备50还具备混合器89，该混合器89使在已处理气体供给管线82中流动的已处理气体PG与作为天然气NG的主燃料混合。该混合器89与已处理气体供给管线82以及供作为天然气NG的主燃料流动的主燃料管线17连接。并且，在该混合器89连接有供已处理气体PG与天然气NG混合而成的混合气体燃料MG流动的燃料管线12的一端。与第一实施方式同样地，该燃料管线12的另一端与燃烧器11b连接。即，本实施方式的氨分解设备50的结构除了在第一实施方式的氨分解设备50中追加了混合器89之外，与第一实施方式的氨分解设备50的结构基本相同。
在本实施方式中，作为混合气体燃料MG中的氢浓度，假定为约20mol％。由于氢的每单位摩尔的发热量比天然气NG小，因此在混合气体燃料MG中的氢浓度为约20mol％的情况下，氢的发热量相对于混合气体燃料MG的发热量的比例为约7％。该混合气体燃料MG中所包含的氢几乎是已处理气体PG中所包含的氢。本实施方式的燃烧器11b成为即使是含有约20mol％的氢的气体燃料也能够稳定地燃烧的结构。
在本实施方式中，即使在稳定运转时，作为燃料的一部分也使用天然气NG。因此，在本实施方式中，在稳定运转时，源自氨分解的氢的消耗量比第一实施方式少。其结果是，在本实施方式中，在稳定运转时，液氨的消耗量比第一实施方式少。
如上所述，本实施方式的氨分解设备50的结构除了在第一实施方式的氨分解设备50中追加了混合器89之外，与第一实施方式的氨分解设备50的结构基本相同。因此，本实施方式的氨分解设备50的动作与使用图3的流程图说明的第一实施方式中的氨分解设备50的动作基本相同。但是，在本实施方式中，在稳定运转时，液氨的消耗量比第一实施方式少，因此构成氨分解设备50的各设备的容量、处理能力比构成第一实施方式的氨分解设备50的各设备的容量、处理能力小。具体而言，例如，氨罐T、氨分解器53、氨分离器72等的容量与第一实施方式相比全部变小。
因此，在本实施方式中，氨分解装置51的氨分解器53、氨去除装置61的氨分离器72中所需的水蒸气的量比第一实施方式少。因此，在本实施方式中，产生水蒸气的废热回收锅炉20a的结构与第一实施方式中的废热回收锅炉20的结构不同。并且，在本实施方式中，供水蒸气流动的管线结构与第一实施方式的供水蒸气流动的管线结构不同。
与第一实施方式同样地，本实施方式的废热回收锅炉20a具备低压蒸气产生系统22、中压蒸气产生系统23、以及高压蒸气产生系统27。并且，本实施方式的废热回收锅炉20a具备再热蒸气系统25。另一方面，本实施方式的废热回收锅炉20a不具备产生向氨分解装置51的氨分解器53输送的蒸气的专用的高压蒸气产生系统、也就是说第一实施方式的第一高压蒸气产生系统26。
与第一实施方式同样地，本实施方式的低压蒸气产生系统22具有节煤器22a、蒸发器22b、以及过热器22c。另外，本实施方式的中压蒸气产生系统23及高压蒸气产生系统27也与第一实施方式同样地具有节煤器、蒸发器、以及过热器。本实施方式的再热蒸气系统25仅具有利用废气EG使蒸气过热的再热器。
与第一实施方式同样地，高压蒸气产生系统27的过热器与高压蒸汽轮机33的蒸气入口通过高压蒸气管线43连接。高压蒸汽轮机33的蒸气出口与再热蒸气系统25的再热器中的蒸气入口通过高压排出蒸气管线44a连接。中压蒸气产生系统23的过热器与再热蒸气系统25的再热器中的蒸气入口通过中压蒸气管线42a连接。再热蒸气系统25的再热器中的蒸气出口与中压蒸汽轮机32的蒸气入口通过再热蒸气管线46连接。与第一实施方式同样地，低压蒸气产生系统22的过热器22c与低压蒸汽轮机31的蒸气入口通过低压蒸气管线41连接。与第一实施方式同样地，低压蒸汽轮机31的蒸气入口还通过中压排出蒸气管线45与中压蒸汽轮机32的蒸气出口连接。与第一实施方式同样地，在低压蒸汽轮机31的蒸气出口连接有上述的凝汽器35。凝汽器35与低压蒸气产生系统22的节煤器22a通过供水管线47连接。在该供水管线47中设置有凝汽泵36。
如上那样，本实施方式的废热回收锅炉20a的结构以及与该废热回收锅炉20a连接的管线的结构与代表性的天然气焚烧燃气轮机联合循环成套设备的结构基本相同。
将作为第一热介质M1的蒸气向氨分解装置51的氨分解器53引导的第一热介质管线85a的一端与高压蒸气管线43连接。该第一热介质管线85a的另一端与氨分解装置51的氨分解器53连接。即，本实施方式的氨分解器53将在高压蒸气产生系统27中产生的高压蒸气HS的一部分作为第一热介质M1而用于氨的热解。需要说明的是，在高压蒸气产生系统27中产生的高压蒸气HS的残留被向高压蒸汽轮机33输送。第一热介质回收管线86a连结氨分解器53与中压蒸气管线42a。该第一热介质回收管线86将在氨分解器53中被利用后的高压蒸气HS向中压蒸气管线42a内引导。
与第一实施方式同样地，将作为第二热介质M2的蒸气向氨去除装置61的氨分离器72引导的第二热介质管线87的一端与中压蒸气管线42a连接。该第二热介质管线87的另一端与氨分离器72连接。即，本实施方式的氨分解器53将在中压蒸气产生系统23中产生的中压蒸气IS的一部分作为第二热介质M2而用于水的加热。需要说明的是，在中压蒸气产生系统23中产生的中压蒸气IS的残留被向再热蒸气系统25输送。与第一实施方式同样地，第二热介质回收管线88连接氨分离器72与废热回收锅炉20a的中压泵24中的吸入口。该第二热介质回收管线88利用氨分离器72将中压蒸气IS通过与水的热交换冷凝而生成的热水向中压泵24引导。
如上那样，本实施方式的氨分解设备50除了对氨进行热解的氨分解装置51之外，还具备从含有由该氨分解装置51生成的氢、氮、以及残留氨的分解气体DG去除残留氨的氨去除装置61。因此，在本实施方式中，也能够抑制向气体利用对象输送的气体中所包含的残留氨的浓度。因此，在本实施方式中，也能够抑制在作为气体利用对象的燃烧器11b中通过燃料的燃烧生成的废气EG中的NOx浓度。另外，在本实施方式中，在作为气体利用对象的燃烧器11b中，使混合了不含碳的燃料和天然气NG的混合气体燃料MG燃烧，因此能够降低通过该混合气体燃料MG的燃烧生成的废气EG中的CO2量。
另外，在本实施方式中，也与第一实施方式同样地，由于利用氨升压机80将供给到氨分解装置51之前的氨升压到比作为燃烧器11b的气体利用对象内的压力高的压力，因此即使不将分解氨之后的气体升压，也能够将其向气体利用对象内引导。因此，在本实施方式中，也能够抑制设备成本及运行成本。
在本实施方式中，在由废热回收锅炉20a产生的蒸气中，由氨分解设备50使用的蒸气量比第一实施方式少。换言之，在本实施方式中，在由废热回收锅炉20a产生的蒸气中，由蒸汽轮机设备30使用的蒸气量比第一实施方式多。因此，在本实施方式中，与第一实施方式相比，能够提高蒸汽轮机31、32、33的输出。
本实施方式的废热回收锅炉20a不具备产生向氨分解装置51的氨分解器53输送的蒸气的专用的高压蒸气产生系统，因此，即使在现有的燃气轮机联合循环成套设备中追加氨分解设备50的情况下，也能够使废热回收锅炉的改造范围为最小限。因此，在该情况下，与采用第一实施方式的成套设备结构相比，采用本实施方式的成套设备结构能够抑制成套设备的改良所需的成本。
[变形例]
在以上的各实施方式中，燃气轮机转子11d与蒸汽轮机转子34连结。但是，燃气轮机转子11d与蒸汽轮机转子34也可以不连结。在该情况下，发电机分别与燃气轮机转子11d和蒸汽轮机转子34连结。
以上的各实施方式的蒸汽轮机设备30具有流入蒸气的压力相互不同的三种蒸汽轮机31、32、33。但是，作为蒸汽轮机，蒸汽轮机设备也可以仅具有一种蒸汽轮机。在该情况下，作为产生用于使蒸汽轮机驱动的蒸气的蒸气产生系统，废热回收锅炉的蒸气产生系统仅具有一种蒸气产生系统即可。
在以上的各实施方式中，输送到氨分解器53的热介质是来自废热回收锅炉20、20a的水蒸气。然而，只要利用通过燃气轮机11的驱动产生的热，则可以利用任何介质。例如，也可以设为将来自燃气轮机11的废气EG向氨分解器53输送的热介质。在该情况下，具有能够与比水蒸气高温的废气进行热交换的优点。另一方面，在该情况下，废气EG与高压的水蒸气相比热容量小，因此存在需要的废气EG的体积流量变大、设备类的大小整体变大的缺点。
在以上的各实施方式中，作为从分解气体DG中去除氨的方法，采用在吸收塔64中使分解气体DG与水接触的方法。但是，作为从分解气体DG中去除氨的方法，也可以采用压力变动吸附法(PSA)。压力变动吸附法的特征是干式。但是，该方法需要注意吸附脱离切换时的压力变动。
在以上的各实施方式中，在氨分离器72中的分离塔75的外部配置有水加热器77。即，在以上的各实施方式中，将积存在分离塔75的下部的水向外部引出，利用水加热器77对该水进行加热。但是，也可以在氨分离器72中的分离塔75的内部配置水加热器。
在以上的各实施方式中，在氨分离器72的水加热器77中，对水进行加热的第二热介质M2是通过由燃气轮机11的驱动产生的热被加热的介质、具体而言是中压蒸气IS。但是，在该水加热器77中，对水进行加热的第二热介质M2例如也可以是分解气体DG。
在以上的各实施方式中，在氨分离器72中的分离塔75的外部配置有冷凝器78。即，在以上的各实施方式中，将分离塔75内的气体向外部引出，利用冷凝器78使该气体的一部分冷凝。但是，也可以在氨分离器72中的分离塔75内的上部空间内配置冷凝器。
在以上的各实施方式中，作为氨吸收器62的吸收塔64中的气液接触方法，采用了填充物式。另外，在以上的各实施方式中，作为氨分离器72的分离塔75中的气液接触方法，采用了塔板层式。但是，气液接触方法中也有其他方式，因此作为吸收塔64及分离塔75中的气液接触方法，也可以采用其他方式。在实现气液接触方法的多个方式中，对于每个方式，在设备的大小、设备的资本费、设备的维护费、设备的压力损失、设备的必要动力、设备的耐久性等方面存在优缺点。因此，在实现液接触方法的多个方式中，只要根据成套设备的规格、布局条件等选定最佳的方式即可。
以上的实施方式的气体利用对象是燃烧器11b。但是，气体利用对象不限于燃烧器11b，例如，也可以是燃料电池。
产业上的可利用性
根据本发明的一个实施方式，能够减少通过氨的热解而生成的分解气体中的残留氨。并且，根据本发明的一个实施方式，能够抑制用于使氨分解设备动作的能源成本。
附图标记说明：
10...燃气轮机设备；11...燃气轮机；11a...空气压缩机；11b...燃烧器；11c...涡轮；11d...燃气轮机转子；12...燃料管线；13...流量计；14...预热器；15...燃料调节阀；16...启动时燃料管线；17...主燃料管线；20、20a...废热回收锅炉；21...锅炉框；22...低压蒸气产生系统；22a...节煤器；22b...蒸发器；22c...过热器；23...中压蒸气产生系统；24...中压泵；25...再热蒸气系统；26...第一高压蒸气产生系统；27...第二高压蒸气产生系统(高压蒸气产生系统)；28...高压泵；29...烟囱；30...蒸汽轮机设备；31...低压蒸汽轮机；32...中压蒸汽轮机；33...高压蒸汽轮机；34...蒸汽轮机转子；35...凝汽器；36...凝汽泵；39...发电机；41...低压蒸气管线；42、42a...中压蒸气管线；43...高压蒸气管线；44、44a...高压排出蒸气管线；45...中压排出蒸气管线；46...再热蒸气管线；47...供水管线；T...氨罐；50…氨分解设备；51...氨分解装置；52...氨加热器；53...氨分解器；54...分解气体管线；61...氨去除装置；62...氨吸收器；63...分解气体冷却器；64...吸收塔；64p...填充物；64v...吸收塔容器；65...水管线；66...水供给泵；67...水冷却器；72...氨分离器；73...氨水管线；74...氨水加热器；75...分离塔；75v...分离塔容器；75p...塔板层；76...水循环管线；77...水加热器；78...冷凝器；79...水回收管线；80...氨升压机；81...氨供给管线；82...已处理气体供给管线；83...氨回收管线；84...氨压缩机；85、85a...第一热介质管线(热介质管线)；86、86a...第一热介质回收管线；87...第二热介质管线；88...第二热介质回收管线；89...混合器；EG....废气；LS...低压蒸气；IS...中压蒸气；RS...再热蒸气；HS...高压蒸气；HS1...第一高压蒸气；HS2…第二高压蒸气；M1...第一热介质；M2...第二热介质；DG...分解气体；SF...启动时燃料；PG...已处理气体；MG...混合气体燃料；NG...天然气。

Claims (16)

1.一种氨分解设备，其中，
所述氨分解设备具备：
热介质管线，其供通过由燃气轮机产生的热而被加热的热介质流动；
氨供给管线，其供氨流动；
氨分解装置，其与所述热介质管线及所述氨供给管线连接，利用来自所述热介质管线的所述热介质的热，对来自所述氨供给管线的所述氨进行热解，从而生成含有氢、氮和残留氨的分解气体；
氨去除装置，其将来自所述氨分解装置的所述分解气体中所包含的所述残留氨去除；以及
已处理气体供给管线，其将由所述氨去除装置去除了所述残留氨后的分解气体即已处理气体向气体利用对象引导。
2.根据权利要求1所述的氨分解设备，其中，
所述氨分解设备具备氨回收管线，所述氨回收管线与所述氨去除装置连接，将由所述氨去除装置去除了的所述残留氨向所述氨供给管线引导。
3.根据权利要求1或2所述的氨分解设备，其中，
所述氨分解设备具备氨升压机，所述氨升压机设置于所述氨供给管线，将在所述氨供给管线中流动的所述氨升压至比所述气体利用对象内的压力高的压力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的氨分解设备，其中，
所述氨去除装置具有氨吸收器和氨分离器，
所述氨吸收器使来自所述氨分解装置的所述分解气体与水接触而使所述分解气体中的所述残留氨溶解于所述水中，另一方面，排出所述已处理分解气体，
所述氨分离器具有分离塔和水加热器，
所述分离塔使溶解有所述残留氨的所述水即氨水与水蒸气接触，对所述氨水进行加热，从而从所述氨水分离氨，
所述水加热器对从所述氨水分离出氨后的水进行加热而使所述水成为水蒸气，之后使水蒸气返回所述分离塔。
5.根据权利要求4所述的氨分解设备，其中，
所述氨分解设备除了作为所述热介质管线的第一热介质管线之外，还具备供通过由所述燃气轮机产生的热而被加热的热介质流动的第二热介质管线，
所述水加热器是使从所述氨水分离出氨后的水与来自所述第二热介质管线的热介质进行热交换、从而使所述水成为水蒸气的热交换器。
6.一种燃气轮机成套设备，其中，
所述燃气轮机成套设备具备：
权利要求1至5中任一项所述的氨分解设备；以及
所述燃气轮机，
所述燃气轮机具有：空气压缩机，其压缩空气而生成压缩空气；燃烧器，其在所述压缩空气中使燃料燃烧而生成燃烧气体；以及涡轮，其由所述燃烧气体驱动，
将所述燃烧器作为所述气体利用对象，所述已处理气体供给管线将所述已处理气体向所述燃烧器引导。
7.一种燃气轮机成套设备，其中，
所述燃气轮机成套设备具备：
权利要求1至5中任一项所述的氨分解设备；
所述燃气轮机；以及
废热回收锅炉，其利用从所述燃气轮机排出的废气的热来产生蒸气，
所述热介质管线与所述废热回收锅炉连接，将在所述废热回收锅炉中产生的蒸气作为所述热介质向所述氨分解装置引导。
8.一种燃气轮机成套设备，其中，
所述燃气轮机成套设备具备：
权利要求5所述的氨分解设备；
所述燃气轮机；以及
废热回收锅炉，其利用从所述燃气轮机排出的废气的热来产生蒸气，
所述第二热介质管线与所述废热回收锅炉连接，将在所述废热回收锅炉中产生的蒸气作为所述热介质向所述水加热器引导。
9.根据权利要求8所述的燃气轮机成套设备，其中，
所述第一热介质管线与所述废热回收锅炉连接，将在所述废热回收锅炉中产生的蒸气作为所述热介质向所述氨分解装置引导。
10.一种氨分解方法，其中，
执行如下工序：
氨分解工序，在该氨分解工序中，利用通过由燃气轮机产生的热而被加热的热介质的热，在氨分解装置内对氨进行热解，从而生成含有氢、氮和残留氨的分解气体；
氨去除工序，在该氨去除工序中，去除所述分解气体中所包含的所述残留氨；以及
已处理气体供给工序，在该已处理气体供给工序中，将通过所述氨去除工序去除了所述残留氨后的分解气体即已处理气体向气体利用对象引导。
11.根据权利要求10所述的氨分解方法，其中，
执行氨回收工序，在该氨回收工序中，使通过所述氨去除工序被去除了的所述残留氨与通过所述氨分解工序被热解前的氨合流。
12.根据权利要求10或11所述的氨分解方法，其中，
执行氨供给工序，在该氨供给工序中，在将通过所述氨分解工序被热解前的氨升压至比所述气体利用对象内的压力高的压力后，将升压后的氨向所述氨分解装置供给。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的氨分解方法，其中，
所述氨去除工序包括氨吸收工序和氨分离工序，
在所述氨吸收工序中，使通过所述氨分解工序的执行而得到的所述分解气体与水接触而使所述分解气体中的所述残留氨溶解于水中，另一方面，排出所述已处理分解气体，
在所述氨分离工序中，包括分离执行工序和水加热工序，
在所述分离执行工序中，使溶解有所述残留氨的水即氨水与水蒸气接触，从所述氨水蒸发分离氨，
在所述水加热工序中，对从所述氨水分离出氨后的水进行加热，使所述水成为在所述分离执行工序中使用的水蒸气。
14.根据权利要求13所述的氨分解方法，其中，
在所述水加热工序中，使从所述氨水分离出氨后的水与通过由所述燃气轮机产生的热而被加热的热介质进行热交换，从而对所述水进行加热。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的氨分解方法，其中，
在所述已处理气体供给工序中，将所述燃气轮机的燃烧器作为所述气体利用对象，将所述已处理气体向所述燃烧器引导。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的氨分解方法，其中，
使所述已处理气体中的残留氨浓度成为如下那样的浓度，即，从所述燃气轮机排出的废气中的氮氧化物浓度低于所期望的浓度。
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