JP2000054852A - Gas turbine combined cycle power generation system - Google Patents

Gas turbine combined cycle power generation system

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JP2000054852A
JP2000054852A JP11077516A JP7751699A JP2000054852A JP 2000054852 A JP2000054852 A JP 2000054852A JP 11077516 A JP11077516 A JP 11077516A JP 7751699 A JP7751699 A JP 7751699A JP 2000054852 A JP2000054852 A JP 2000054852A
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JP
Japan
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gas
gas turbine
power generation
steam
fuel
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Withdrawn
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JP11077516A
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Japanese (ja)
Inventor
Ikuo Jitsuhara
幾雄 実原
Yuji Kubo
祐治 久保
Yoshihiro Kaneda
善弘 兼田
Kenichiro Fujimoto
健一郎 藤本
Hideki Kurimura
英樹 栗村
Shoichi Kaganoi
彰一 加賀野井
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Teikoku Oil Co Ltd
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Teikoku Oil Co Ltd
Nippon Steel Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

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  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To amplify both enthalpy and exergy and reduce the exergy loss in combustion process by connecting a steam reforming system of fuel to a combustor. SOLUTION: A combustor is connected to an air compressor, and a gas turbine is connected to the combustor to connect a methanol steam reforming reactor to the combustor through the gas turbine. A part of the exhaust steam 12 of a high-pressure steam turbine is supplied to the steam reforming reactor together with methanol, and a reaction heat is also supplied by use of the heat of the exhaust gas 6 of the gas turbine. The steam reforming reactor converts all the methanol is converted to hydrogen and carbon dioxide at about 250 deg.C in the steam reforming reactor, and the methanol steam reformed gas is mixed with natural gas in a mixer and then supplied to the combustor to provide a combustion gas of 1450 deg.C or higher.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、地球温暖化の主作
用ガスと目される二酸化炭素の排出を抑制しつつ高効率
発電を達成する技術として採用が活発化しているガスタ
ービン複合発電システムに関するもので、特に、燃料の
改質やメタノールの水蒸気改質によりエクセルギーを増
幅し燃焼時のエクセルギーロスを減少させることを特徴
とする高効率発電・省エネ技術に係るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas turbine combined cycle power generation system which has been actively adopted as a technique for achieving high-efficiency power generation while suppressing the emission of carbon dioxide, which is regarded as the main working gas for global warming. In particular, the present invention relates to a high-efficiency power generation / energy-saving technology characterized in that exergy is amplified by fuel reforming or steam reforming of methanol to reduce exergy loss during combustion.

【0002】[0002]

【従来の技術】地球規模での環境問題がクローズアップ
される中、二酸化炭素による地球温暖化が大きく採り上
げられ、二酸化炭素排出抑制が喫緊の課題として認識を
新たにしつつある。太陽電池、風力発電に代表される再
生可能エネルギーの開発に加え、既存工業プラントの省
エネ諸策の展開、発電設備の効率向上技術開発等、産業
内、産業間に跨り二酸化炭素削減のための技術開発が進
展している。その中で、天然ガスは炭素含有量が少ない
電力用クリーンエネルギーとして注目され、利用拡大が
検討されると共に、天然ガスを燃料としてガスタービ
ン、蒸気タービンとの連続化により発電効率向上を図っ
たガスタービン複合サイクル発電システム(GTCC)
の開発・実機化が進展しつつあり、蒸気タービンとの複
合的利用により総合発電効率は50%近くに達するに至
っている。
2. Description of the Related Art While global environmental issues are becoming increasingly important, global warming due to carbon dioxide has been widely adopted, and controlling carbon dioxide emissions has been renewed as an urgent issue. Technologies for reducing carbon dioxide within and between industries, such as developing renewable energy represented by solar cells and wind power generation, developing energy-saving measures for existing industrial plants, and developing technologies to improve the efficiency of power generation facilities Development is progressing. Among them, natural gas has attracted attention as a clean energy for electric power with a low carbon content, and its use has been studied.At the same time, natural gas has been used as a fuel to improve power generation efficiency by continuous use with gas turbines and steam turbines. Turbine combined cycle power generation system (GTCC)
The total power generation efficiency has reached nearly 50% due to the combined use with a steam turbine.

【0003】しかし、我が国において、石炭等の水素含
有量の少ない燃料から水素含有量の多い天然ガスへの燃
料シフトは、天然ガス田からのガス輸送手段の確保、即
ち、天然ガス液化設備、液化天然ガス(LNG)輸送
船、LNG受入基地建設、あるいは、パイプライン建設
等、大規模なインフラ投資が要求されるという困難な問
題を抱えているため容易に進展する状況にはない。従っ
て、更なる発電効率の向上が技術開発の焦点となってい
る。その殆どは、蒸気タービン発電系制御(例えば、特
開平6−159091号公報)、蒸気タービン冷却機構
設計(例えば、特開平9−170407号公報、特開平
10−61457号公報)、超合金を用いたガスタービ
ンブレード、ノズル設計(例えば、特開平6−1008
2号公報、特開平7−70679号公報)、低沸点媒体
サイクル発電、不活性ガス媒体サイクル発電との結合
(例えば、特開平7−166815号公報、特開平9−
14560号公報)であり、燃料の質に踏み込んだ発電
システム設計に関する技術は見受けられない。一方、負
荷追従性向上により発電設備の稼働形態を安定化し効率
向上を図る技術開発も進展しているが、複合発電モード
と蒸気タービン単独発電モードとの切り替え(例えば、
特開平6−173615号公報)、目標負荷と実負荷と
の偏差検出制御(例えば、特開平5−272361号公
報、特開平8−128304号公報)が殆どである。ま
た、天然ガスを液体燃料化することにより流通性を高
め、大規模インフラ投資を回避しつつ新規燃料として導
入する技術開発も活発化しており、メタノールは、その
代表例である。
[0003] However, in Japan, the fuel shift from low hydrogen content fuel such as coal to natural gas with high hydrogen content has been achieved by securing gas transportation means from natural gas fields, that is, natural gas liquefaction facilities and liquefaction. Due to the difficult problem of requiring large-scale infrastructure investment such as construction of natural gas (LNG) transport ships, construction of LNG receiving terminals, and construction of pipelines, it cannot be easily developed. Therefore, further improvement of power generation efficiency is a focus of technology development. Most of them use steam turbine power generation system control (for example, JP-A-6-159091), steam turbine cooling mechanism design (for example, JP-A-9-170407 and JP-A-10-61457), and use of superalloys. Gas turbine blades and nozzle designs (see, for example,
No. 2, JP-A-7-70679), coupling with low-boiling-point medium cycle power generation and inert gas medium cycle power generation (for example, JP-A-7-166815, JP-A-9-1997)
No. 14560), and there is no technology relating to power generation system design that takes into account the quality of fuel. On the other hand, although technology development for stabilizing the operation mode of the power generation equipment and improving efficiency by improving load following capability is also progressing, switching between the combined power generation mode and the steam turbine single power generation mode (for example,
In most cases, control for detecting a deviation between a target load and an actual load (for example, JP-A-5-272361 and JP-A-8-128304) is performed. In addition, the development of technology for introducing natural gas as a new fuel while increasing the flowability by converting natural gas into a liquid fuel and avoiding large-scale infrastructure investment has been activated, and methanol is a typical example.

【0004】上記の発電効率向上のための技術開発は、
エクセルギーロスの大きい化石燃料を用いる限り、その
発電効率の向上には限界がある。つまり、ガスタービン
複合サイクル発電(GTCC)の開発は、クリーンなガ
スを原料として燃焼エネルギーをカスケード的に回収す
ることによりエネルギー効率の向上を意図したものであ
る以上、伝熱ロスの低減、熱エネルギー回収の効率化と
いう範疇を出ず、自ずと効率の向上代には限界がある。
一方、発電設備単体の効率化の限界を見据え他のプラン
トとの結合によりトータルでのエネルギー効率向上を目
的として複合システムが提案されている。例えば、高温
酸素輸送性固体電解質を利用した空気分離との組合せ
(例えば、USP−5516359)、燃料電池との組
合せ(例えば、特開平9−129255号公報)、LN
G気化との組合せ(例えば、特開平9−14587号公
報)、空気の深冷分離プラントと圧縮空気貯蔵発電との
組合せ(例えば、特開平9−13918号公報)が挙げ
られるが、特定用途に有効な技術であり、又、立地制約
を受ける。
The technical development for improving the power generation efficiency described above is as follows.
As long as fossil fuels with a large exergy loss are used, there is a limit in improving the power generation efficiency. In other words, the development of gas turbine combined cycle power generation (GTCC) is intended to improve energy efficiency by collecting combustion energy in cascade using clean gas as a raw material. It does not fall into the category of improving the efficiency of collection, and there is naturally a limit to the cost of improving efficiency.
On the other hand, a composite system has been proposed for the purpose of improving the total energy efficiency by coupling with other plants in view of the limit of efficiency improvement of a single power generation facility. For example, a combination with air separation using a high-temperature oxygen-transporting solid electrolyte (for example, USP-5516359), a combination with a fuel cell (for example, JP-A-9-129255), LN
A combination with G vaporization (for example, JP-A-9-14587) and a combination of a cryogenic air separation plant and compressed air storage power generation (for example, JP-A-9-13918) are given. It is an effective technology and is subject to location restrictions.

【0005】ガスタービン複合サイクル発電における発
電効率向上には、ガスタービン、及び、蒸気タービンの
入口ガス温度の上昇が効果的であり、過去20年間で年
平均20℃のペースで上昇しており、1450℃クラス
のガスタービンの工業化は間近と想定される。ガスター
ビン入口ガスの温度上昇は、燃焼機、タービン翼等の冷
却技術、及び、耐熱材料の開発によって達成されてきた
が、1450℃超の更なる高温化に際しては、燃焼剤で
ある空気に大量に存在する窒素が高温燃焼場中で酸素と
反応し窒素酸化物の生成が促進され(サーマルNO
x)、この生成抑制が環境問題上、極めて重要となる。
窒素酸化物の生成は、1500℃以上で更に顕著となる
ことが知られており、エネルギー問題への対応技術とし
ての燃焼温度上昇による発電効率向上は、環境問題対応
としての窒素酸化物抑制とトレードオフの関係にある。
既存窒素酸化物抑制技術として知られている予混合燃焼
技術、セラミックス燃焼機、触媒燃焼技術は、燃焼機内
に局部的に生成する高温域の抑制を主目的としたもの
で、ガスタービン入口ガス温度が1500℃程度までで
あれば有効に機能するものと想定されるが、それ以上と
なると、適用可能性には疑問が残る。従って、ガスター
ビン入口温度上昇を指向した技術開発と並行して、別の
観点からの効率向上技術開発が必要であり、その一つと
して、燃料の質に踏み込んだ発電システム設計がある。
[0005] In order to improve the power generation efficiency in the gas turbine combined cycle power generation, it is effective to increase the gas temperature at the inlet of the gas turbine and the steam turbine, which has been increasing at an average annual rate of 20 ° C in the past 20 years. Industrialization of a 1450 ° C. class gas turbine is expected to be imminent. The temperature rise of the gas at the gas turbine inlet has been achieved by the cooling technology of combustors and turbine blades, and the development of heat-resistant materials. However, when the temperature is further increased to over 1450 ° C., a large amount of In the high temperature combustion field reacts with oxygen to promote the formation of nitrogen oxides (thermal NO
x), this generation suppression is extremely important on environmental issues.
It is known that the generation of nitrogen oxides becomes more remarkable at 1500 ° C or higher, and the improvement of power generation efficiency by increasing the combustion temperature as a technology for addressing energy problems is a trade-off with the reduction of nitrogen oxides as a response to environmental problems. Off relationship.
The premixed combustion technology, ceramic combustor, and catalytic combustion technology, which are known as existing nitrogen oxide suppression technologies, are mainly aimed at suppressing the high-temperature region generated locally in the combustor. Is expected to function effectively up to about 1500 ° C., but beyond that, the applicability remains questionable. Therefore, it is necessary to develop efficiency improvement technology from another point of view in parallel with the technology development aimed at increasing the temperature at the inlet of the gas turbine, and one of them is a power generation system design that takes fuel quality into consideration.

【0006】メタノールは天然ガスを原料として工業的
製造技術体系が確立しているが、その用途は化学薬剤と
しての利用が大半で、近年、半導体製造工場用オンサイ
ト水素製造用原料としての利用が進展しているものの、
小規模であり、発電用燃料として利用するには供給能力
不足と言わざるを得ない。しかし、天然ガスのクリーン
エネルギーとしての利用拡大が注目されるなか、既発見
未開発天然ガス田の開発を促進する有力手段としての液
体燃料化技術開発が世界規模で活発化しており、メタノ
ールはその有力候補の一つである。一方、メタノールの
新規用途面では、輸送分野、特に、自動車のエネルギー
効率向上要請、排ガス規制強化動向を背景に合成ガスか
らの液体燃料が注目されており、FT(フィッシャー・
トロプッシュ)合成油によるディーゼル燃料代替、メタ
ノール燃料電池自動車開発が強力に推進されている。加
えて、メタノールの発電用燃料としての利用技術開発、
実証テストは既に行われている。発電用燃料としてのメ
タノール利用技術には、直接燃焼、改質燃焼、燃料電池
利用があるが、大規模燃料電池開発については実用化が
見通せる状況になく、直接燃焼については技術的課題は
殆ど無いものの発電効率は天然ガス燃料ガスタービン複
合サイクル発電と概ね同等となる。熱力学的には、天然
ガスからメタノール合成までのエネルギーロスは、天然
ガスのLNG化工程でのエネルギーロスに比し大きく、
原料ガス〜発電までのトータルプロセスでのエネルギー
効率で、天然ガス燃料ガスタービン複合サイクル発電を
上回る為の技術開発が必要となる。
[0006] Methanol has been established as an industrial production technology system using natural gas as a raw material, but its use is mostly used as a chemical agent. In recent years, methanol has been used as a raw material for on-site hydrogen production for semiconductor production plants. Despite progress,
Because it is small, it must be said that its supply capacity is insufficient to use it as fuel for power generation. However, with the increasing use of natural gas as clean energy, attention is being paid to developing liquid fuel technology as a promising means to promote the development of discovered and undeveloped natural gas fields on a global scale. One of the leading candidates. On the other hand, in the field of new uses of methanol, liquid fuels from synthesis gas have been attracting attention in the transportation field, especially in response to demands for improving the energy efficiency of automobiles and stricter exhaust gas regulations.
(Tropush) Replacement of diesel fuel with synthetic oil and development of methanol fuel cell vehicles are being strongly promoted. In addition, development of technology to use methanol as a fuel for power generation,
Demonstration testing has already been performed. There are direct combustion, reforming combustion, and use of fuel cells as technologies for using methanol as a fuel for power generation, but practical use is not expected in large-scale fuel cell development, and there are almost no technical issues with direct combustion. However, the power generation efficiency is almost the same as that of the combined cycle power generation of the natural gas fuel gas turbine. Thermodynamically, the energy loss from natural gas to methanol synthesis is greater than the energy loss in the natural gas LNG conversion process,
It is necessary to develop technology to exceed the natural gas fuel gas turbine combined cycle power generation with energy efficiency in the total process from raw material gas to power generation.

【0007】メタノールの水蒸気改質反応は、以下の式
で示される。 CH3 OH+H2 O=3H2 +CO2 同反応では、下記に示す低位発熱量から明らかな様に、
発熱量の増幅(約14%)が可能となり、増大分相当す
る発電効率向上のポテンシャルを有する。 ・メタノール:152.3kcal/mol ・水素 : 57.8kcal/mol(×3=173.4
kcal/mol・メタノール)
The steam reforming reaction of methanol is represented by the following equation. CH 3 OH + H 2 O = 3H 2 + CO 2 In the same reaction, as apparent from the lower heating value shown below,
It is possible to amplify the calorific value (about 14%), which has the potential of improving the power generation efficiency corresponding to the increase.・ Methanol: 152.3 kcal / mol ・ Hydrogen: 57.8 kcal / mol (× 3 = 173.4)
kcal / mol ・ methanol)

【0008】この改質反応は250℃程度の低温で進行
するため、ガスタービン排ガスの熱エネルギーの利用が
可能であり、この点に着目してメタノール改質型ガスタ
ービン発電サイクルのシステム設計、及び、実証テスト
が実施されている。しかし、これら技術開発は現状のガ
スタービンを前提としたものであり、ガスタービン入口
ガス温度は1400℃以下を想定している。ガスタービ
ン入口ガス温度を1450℃以上とするためには、メタ
ノール改質ガスの様な水素を主要構成成分とするガスを
燃料とする場合、水素が燃焼速度が大なるが故に燃焼過
程で局部的に高温域が生じ、窒素酸化物を生成しやすく
なるため、この抑制技術が不可避となる。現在研究開発
段階にある予混合燃焼技術、セラミックス燃焼器、触媒
燃焼技術は、現時点では、これら水素ガスを主要構成成
分とする改質ガスへの適用が見通せる状況にない。
Since this reforming reaction proceeds at a low temperature of about 250 ° C., it is possible to use the heat energy of the exhaust gas from the gas turbine. Demonstration tests have been conducted. However, these technical developments are based on the current gas turbine, and assume that the gas temperature at the gas turbine inlet is 1400 ° C. or less. In order to raise the gas temperature at the gas turbine inlet to 1450 ° C. or higher, when a gas containing hydrogen as a main component, such as methanol reformed gas, is used as a fuel, the combustion rate of hydrogen is high, and therefore, the gas is locally localized in the combustion process. Therefore, a high-temperature region is generated and nitrogen oxides are easily generated, so that this suppression technique is inevitable. At present, the premixed combustion technology, the ceramic combustor, and the catalytic combustion technology, which are currently in the research and development stage, cannot be applied to reformed gas containing hydrogen gas as a main component.

【0009】国家プロジェクトとして進められている水
素タービン発電に関する研究は、1700℃程度のガス
タービン入口ガス温度を想定した技術開発が目的である
が、水の電気分解により生成する水素を燃料として、副
生酸素を燃焼剤として利用する基本構想故、窒素酸化物
の問題は考慮外である。しかし、大規模自然エネルギー
利用が可能となるまでは電力多消費型となり効率的でな
い。
Research on hydrogen turbine power generation, which is being pursued as a national project, aims to develop technology assuming a gas turbine inlet gas temperature of about 1700 ° C. Because of the basic concept of using raw oxygen as a combustion agent, the problem of nitrogen oxides is out of consideration. However, until large-scale renewable energy can be used, power consumption is high and it is not efficient.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明では、発電設備
の発電効率向上を燃料の質という観点から見直し、燃料
やメタノールと水蒸気との反応により両者に含有される
水素を水素ガスとして取り出し、水素主体の燃料構成に
転換することによりエクセルギーを増幅し、又、燃焼と
いう不可逆過程で生じるエクセルギーロスを燃料やメタ
ノールの直接燃焼に比し低減させた高効率ガスタービン
複合サイクル発電システムを構築することを目的とす
る。
According to the present invention, the improvement of the power generation efficiency of the power generation equipment is reviewed from the viewpoint of the quality of the fuel, and the hydrogen contained in both of them is extracted as hydrogen gas by reacting the fuel or methanol with water vapor, and the hydrogen is removed. Build a high-efficiency gas turbine combined cycle power generation system that amplifies exergy by switching to the main fuel composition and reduces exergy loss that occurs in the irreversible process of combustion compared to direct combustion of fuel and methanol. The purpose is to:

【0011】更には、ガスタービン入口ガス温度の高温
化による効率向上も視野に入れ、その際に問題となる窒
素酸化物の発生を抑制すべく、メタノール水蒸気改質ガ
スに燃焼速度と断熱火炎温度共に水素よりも低い炭化水
素ガスを含有する燃料を混合して燃料として供給するこ
とにより、低環境負荷特性をも併せ持たせたシステムと
しての構築を図るものである。
In addition, with a view to improving efficiency by increasing the gas temperature at the inlet of the gas turbine, the combustion speed and the adiabatic flame temperature of the methanol steam reformed gas are reduced in order to suppress the generation of nitrogen oxides, which is a problem at that time. By mixing a fuel containing a hydrocarbon gas lower than hydrogen and supplying it as a fuel, a system having low environmental load characteristics is also constructed.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】天然ガスを始めとしてメ
タンを含有するガスやメタノールはクリーンエネルギー
源であるばかりで無く、水素含有量の多い格好の水素源
でもあり、水蒸気による改質反応により容易に水素を増
幅できる点に注目した。水素燃焼の特徴は、燃焼過程で
モル数が減少することであり、エントロピーの減少によ
り極端な反応生成系への偏りが無い状態で反応が進行す
ることにある。この特異的な燃焼形態により、下記に示
す様に、天然ガス等の化石燃料に比しエクセルギー損失
の低減が図れる。 ・化石燃料の燃焼に伴うエクセルギーロス:22%以上 ・水素の燃焼に伴うエクセルギーロス:13%
Means for Solving the Problems Gases and methane-containing gases such as natural gas and methanol are not only clean energy sources but also excellent hydrogen sources having a high hydrogen content, and are easily formed by a reforming reaction with steam. We noticed that hydrogen can be amplified. The feature of hydrogen combustion is that the number of moles decreases in the combustion process, and the reaction proceeds in a state where there is no extreme bias toward the reaction generation system due to the decrease in entropy. With this unique combustion mode, exergy loss can be reduced as compared with fossil fuels such as natural gas, as described below. -Exergy loss associated with fossil fuel combustion: 22% or more-Exergy loss associated with hydrogen combustion: 13%

【0013】又、天然ガスの水蒸気改質に代表される天
然ガスからの水素製造プロセスやメタノールの水蒸気改
質反応は、燃焼反応よりも低温で進行する吸熱化学反応
に立脚しており、天然ガスを水素に変換して燃焼すると
いうことは、低温で熱を汲み上げ(改質時の吸熱反
応)、高温で熱を放出する(燃焼時の発熱反応)一種の
ヒートポンプとも考えられ、この点でも、水素転換燃焼
発電はエネルギー的に有利である。この様に水素を燃料
として用いることにより効率の向上が図れる反面、その
安価調達法が重要となる。
[0013] The process for producing hydrogen from natural gas represented by steam reforming of natural gas and the steam reforming reaction of methanol are based on an endothermic chemical reaction that proceeds at a lower temperature than the combustion reaction. Converting to hydrogen and burning it is considered a kind of heat pump that pumps heat at low temperature (endothermic reaction during reforming) and releases heat at high temperature (exothermic reaction during burning). Hydroconversion power generation is energetically advantageous. Although the efficiency can be improved by using hydrogen as a fuel as described above, the low-cost procurement method is important.

【0014】天然ガス等メタンを含有するガスを原料と
して水素を製造する方法には種々あり、水蒸気改質、部
分酸化、ATR(Auto Thermal Reforming)等がある。
しかし、これらの技術は、合成ガスを得る技術であり合
成ガスを原料とした化学品の製造に主眼を置いた技術で
ある。純酸素が安価に得られない場合、これらの技術の
中では水蒸気改質法が最も効率的な水素製造方法とな
る。又、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため反応転化
率向上の観点からは高温操業が望ましいが、大量の熱エ
ネルギーを必要とするためエネルギー効率的には望まし
くない。一方、メタノールの水蒸気改質は、250℃程
度の低温で進行するため、蒸気タービンからの排蒸気の
改質反応原料としての利用のみならず熱源としての利用
も可能であり、同反応による発熱量増大分の殆どは発電
効率向上に寄与する。更には、本発明は、ガスタービン
複合発電系への組込を目的とするものであることからガ
スタービン排熱が利用できる温度域での操業が必要であ
り、低温操業が望ましい。
There are various methods for producing hydrogen from a methane-containing gas such as natural gas as a raw material, including steam reforming, partial oxidation, and ATR (Auto Thermal Reforming).
However, these techniques are techniques for obtaining synthesis gas, and focus on the production of chemicals using synthesis gas as a raw material. When pure oxygen cannot be obtained at low cost, the steam reforming method is the most efficient hydrogen production method among these techniques. Further, since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, high-temperature operation is desirable from the viewpoint of improving the reaction conversion rate, but it is not desirable in terms of energy efficiency because a large amount of heat energy is required. On the other hand, since steam reforming of methanol proceeds at a low temperature of about 250 ° C., not only can the steam discharged from the steam turbine be used not only as a raw material for reforming reaction but also as a heat source, and the calorific value of the reaction can be increased. Most of the increase contributes to the improvement of power generation efficiency. Furthermore, since the present invention is intended to be incorporated in a gas turbine combined cycle system, it is necessary to operate in a temperature range where gas turbine exhaust heat can be used, and low-temperature operation is desirable.

【0015】ガスタービン排熱を利用してメタンやメタ
ノールの水蒸気改質を効率良く進行させるためには、反
応を生成系にシフトさせることが必要となるが、本発明
では過剰の水蒸気を供給し水蒸気改質反応を生成系にシ
フトさせると共に、これを熱媒体として利用し、熱回収
系、蒸気タービンと組み合わせる事により電力として回
収するシステムを構築する。他に、反応を生成系にシフ
トさせる手法として、反応生成物の系外への抜き出しが
あり、以下に示すメタンやメタノールの水蒸気改質反応
系では、水素、又は、二酸化炭素を系外に抜き出すこと
により反応を促進させることができる。 CH4 +2H2 O=CO2 +4H2 CH3 OH+H2 O=3H2 +CO2
In order to efficiently advance the steam reforming of methane or methanol by utilizing the exhaust heat of a gas turbine, it is necessary to shift the reaction to a production system. In the present invention, however, excess steam is supplied. The system that shifts the steam reforming reaction to the production system, uses this as a heat medium, and builds a system that recovers it as electric power by combining it with a heat recovery system and a steam turbine. In addition, as a method of shifting the reaction to the production system, there is extraction of the reaction product out of the system, and in the steam reforming reaction system of methane and methanol shown below, hydrogen or carbon dioxide is extracted out of the system. This can accelerate the reaction. CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 CH 3 OH + H 2 O = 3H 2 + CO 2

【0016】これらの技術としてセラミックス膜による
水素分離技術があり、水素分離材料としてSiO2 、S
iCを多孔質アルミナ上へコーティングした複合材料
や、中高温度域(300〜900℃)で水素イオン、電
子の両透過能を有する混合導電性固体電解質、例えばB
aCe0.950.053 が知られている。過剰の水蒸気供
給と、これらの膜分離技術を組み合わせて反応を促進さ
せることも可能である。また、水素は燃焼速度が大き
く、燃焼場の不均一性を助長し局部的に高温度域が形成
されることにより窒素酸化物の生成を増大させる傾向に
あるが、この対応として、燃焼速度の比較的遅い炭化水
素ガスとの混合燃焼が有効である点に着目した。
As these techniques, there is a hydrogen separation technique using a ceramic membrane, and SiO 2 , S
A composite material in which iC is coated on porous alumina, or a mixed conductive solid electrolyte having both hydrogen ion and electron permeability in a medium to high temperature range (300 to 900 ° C.), such as B
aCe 0.95 Y 0.05 O 3 is known. It is also possible to promote the reaction by combining the supply of excess steam with these membrane separation techniques. In addition, hydrogen has a high combustion rate, promotes non-uniformity in the combustion field, and tends to increase the generation of nitrogen oxides by locally forming a high temperature region. We focused on the fact that mixed combustion with relatively slow hydrocarbon gas is effective.

【0017】メタノールの水蒸気改質反応により生成す
る水素を主要構成成分とするガスを燃料とすることによ
り、発電効率の向上が図れるが、一方、水素は、汎用燃
料である天然ガスの主要構成成分であるメタンに比し、
燃焼速度が大きく、且つ、断熱火炎温度が高く、燃焼助
剤として空気を用いて高温ガスタービン操業(ガスター
ビン入口ガス温度で1450℃以上)を行う場合、窒素
酸化物発生問題は不可避である。窒素酸化物の排出規制
は強化の方向にあり、「高効率発電」と「低環境負荷」
というトレードオフ関係にある目標をバランス良く達成
する手段として、メタノール改質ガスに、燃焼速度、断
熱火炎温度共に低い炭化水素ガスを含有する燃料を混合
して燃料として供することが有効である。これにより、
燃焼器内部の燃焼場の不均一性を軽減し、窒素酸化物発
生を抑制することが可能となる。
The power generation efficiency can be improved by using a gas containing hydrogen generated by the steam reforming reaction of methanol as a main component as a fuel. On the other hand, hydrogen is a main component of natural gas which is a general-purpose fuel. Compared to methane,
When the combustion speed is high, the adiabatic flame temperature is high, and a high-temperature gas turbine operation (1450 ° C. or higher at the gas turbine inlet gas temperature) is performed using air as a combustion aid, the problem of nitrogen oxide generation is inevitable. Nitrogen oxide emission regulations are in the direction of tightening, and "high efficiency power generation" and "low environmental impact"
As a means for achieving the target having a trade-off relationship in a well-balanced manner, it is effective to mix and supply a fuel containing a hydrocarbon gas having a low combustion rate and a low adiabatic flame temperature to methanol reformed gas. This allows
It is possible to reduce the non-uniformity of the combustion field inside the combustor and suppress the generation of nitrogen oxides.

【0018】天然ガスの輸送手段は、パイプライン、又
は、LNGであり、何れの場合においても天然ガス導入
に係わる設備投資は非常に大きい。これに比し、天然ガ
スを液体燃料化して輸送する場合は、その輸送に特殊タ
ンカーを必要とせず、又、LNGの場合の様に極低温貯
蔵タンク、特殊配管、気化器等の受け入れ側設備を必要
とせず、インフラ装備は軽微となる。天然ガスから誘導
される液体燃料の代表例がメタノールであり、天然ガス
に比し、輸送・受入が容易な燃料と考えられる。メタノ
ール原料として最も優れた特性を有する天然ガスは、主
に、天然ガス田に賦存し、その開発はパイプライン、又
は、LNGによる市場までの輸送によって行われるが、
同様に大規模投資が必要となるため、リモートあるいは
中小規模ガス田の開発が困難となっている。わが国の様
に、特定地域を除いて天然ガス資源に恵まれない状況に
あっては、主要天然ガス源を海外に依存せざるを得ず、
中小ガス田の開発の障壁はさらに高くなる。
The means of transporting natural gas is pipeline or LNG, and in any case, the capital investment related to the introduction of natural gas is very large. On the other hand, when transporting natural gas as liquid fuel, special tankers are not required for transport, and receiving equipment such as cryogenic storage tanks, special piping, and vaporizers as in LNG. No infrastructure equipment is required. A typical example of a liquid fuel derived from natural gas is methanol, which is considered to be a fuel that is easier to transport and receive than natural gas. Natural gas, which has the best properties as a methanol feedstock, mainly exists in natural gas fields, and its development is carried out by pipeline or transport to the market by LNG,
Similarly, the need for large-scale investment makes it difficult to develop remote or small and medium-sized gas fields. In Japan, where natural gas resources are scarce except in certain areas, we have to rely on foreign countries for major natural gas sources.
Barriers to the development of small and medium gas fields are even higher.

【0019】しかし、近年、これら中小ガス田開発の手
段として、メタノール等の液体燃料を製造するGTL
(Gas to Liquids)技術の開発が世界規模で活発に進展
しており、分散型広域エネルギー利用・排ガス排出源で
ある自動車の省エネ強化・排ガス規制強化動向と相俟っ
て、業界横断型技術開発の進展により実現の可能性は高
いものと考えられる。即ち、現在化学薬剤としての利用
が殆どで供給規模が小さいメタノールではあるが、未利
用資源(既発見未開発天然ガス田)の有効活用と低環境
負荷・高効率エネルギー技術開発に対する強いニーズか
ら、メタノールをはじめとしてクリーン液体燃料製造技
術が国際協力関係の下、進展し、燃料用途に供するに足
る供給量を確保できる可能性は大きいものと考えられ
る。
However, recently, as a means of developing these small and medium-sized gas fields, a GTL for producing a liquid fuel such as methanol has been developed.
(Gas to Liquids) technology development is actively progressing on a global scale, and this is coupled with the trend of distributed energy utilization, enhanced energy saving of automobiles, which are exhaust gas emission sources, and stricter emission regulations. The possibility of realization is thought to be high due to the progress of. In other words, methanol is currently mostly used as a chemical agent and has a small supply scale. However, due to the strong utilization of unused resources (discovered and undeveloped natural gas fields) and the development of low environmental impact and highly efficient energy technologies, It is thought that there is a great possibility that methanol and other clean liquid fuel production technologies will advance under international cooperation and secure a sufficient supply for fuel use.

【0020】一方、見方を変えれば、発電燃料としての
メタノールは、現在消費地において導入されている天然
ガスを補完する基幹化学原燃料とも考えられ、メタノー
ルの燃料としての導入は、天然ガス利用拡大という別の
側面を持つことにも留意しておかねばならない。又、業
界、国境を越えたエネルギー利用効率向上が進展してい
く中で、循環型経済システム構築の一環として、廃プラ
を始めとして廃棄物のマテリアルリサイクルが進展して
行くことは容易に予想されるが、これら廃棄物を原料と
して合成ガスからメタノールまでの一貫製造、及び、製
鉄プラント等、石炭を大量に利用するエネルギー多消費
型プロセスにおけるエネルギー受給構造の見直しによる
加熱・発電用燃料源のクリーン化と、石炭起源副生ガス
の有効利用技術としてのメタノール製造等、を考えると
日本国内でのメタノールの広域供給・利用の可能性は十
分にあり、今後のエネルギー政策の基幹技術の一つとも
考えられる。
On the other hand, from a different point of view, methanol as a power generation fuel is considered to be a basic chemical raw fuel that complements the natural gas currently introduced in the consuming area. It should be noted that there is another aspect. In addition, as energy efficiency increases across industries and borders, it is easily anticipated that material recycling of waste, including plastic waste, will progress as part of the establishment of a recycling-oriented economic system. However, these wastes are used as raw materials for integrated production from synthesis gas to methanol, and cleanup of heating and power generation fuel sources by reviewing the energy receiving structure in energy-intensive processes that use large quantities of coal, such as steelmaking plants. Considering the development of methanol and the production of methanol as an effective utilization technology of coal-derived by-product gas, there is a good possibility of supplying and using methanol in a wide area in Japan. Conceivable.

【0021】本発明では、これらの技術全体観の下、メ
タンを含有する燃料ガスやメタノールを水蒸気改質して
水素を主要構成成分とする燃料ガスに転換することによ
りエンタルピー、エクセルギーともに増幅し、且つ、燃
焼過程でのエクセルギーロスを低減した高効率発電シス
テムを構築することを目的として、ガスタービン排ガス
や蒸気タービン排蒸気の熱エネルギーを利用して燃料ガ
スやメタノールの水蒸気改質を行うと共に、ガスタービ
ン入口ガス温度の高温化技術動向に対応して、克服すべ
き問題である窒素酸化物を抑制するために、炭化水素ガ
スを含有する燃料をメタノール水蒸気改質ガスと混合し
燃焼することを特徴とするガスタービン複合サイクル発
電システムを提案するものである。本発明のシステム
は、従来の化石燃料直接燃焼方式の複合サイクル発電に
比し、発電効率を向上させることができ化石燃料の節約
につながると共に、二酸化炭素排出低減にも大きく寄与
するものである。また、本発明は、メタノール直接燃焼
方式の複合サイクル発電に比し、発電効率を向上させる
ことができ、メタノールの利用拡大に直結すると共に、
輸送・流通に多大のインフラ投資を伴う天然ガスを常温
液体であるメタノールに変換することにより、輸送・流
通インフラの大幅低減を可能とし、未開発天然ガス田の
開発に大きく寄与するものである。
In the present invention, in view of these technical perspectives, both enthalpy and exergy are amplified by converting the fuel gas containing methane or methanol into a fuel gas containing hydrogen as a main constituent by steam reforming. In order to construct a high-efficiency power generation system with reduced exergy loss during the combustion process, steam reforming of fuel gas and methanol is performed using heat energy of gas turbine exhaust gas and steam turbine exhaust steam. At the same time, in response to the technology trend of increasing the gas temperature at the gas turbine inlet, the fuel containing hydrocarbon gas is mixed with methanol steam reformed gas and combusted to suppress nitrogen oxides, which is a problem to be overcome. A gas turbine combined cycle power generation system characterized by this is proposed. The system of the present invention can improve the power generation efficiency as compared with the conventional combined cycle power generation of the fossil fuel direct combustion system, leads to the saving of fossil fuel, and greatly contributes to the reduction of carbon dioxide emission. In addition, the present invention can improve the power generation efficiency as compared with the combined cycle power generation of the direct methanol combustion system, and is directly connected to the expansion of the use of methanol.
By converting natural gas, which requires a great deal of infrastructure investment in transportation and distribution, to methanol, which is a room temperature liquid, the transportation and distribution infrastructure can be significantly reduced, greatly contributing to the development of undeveloped natural gas fields.

【0022】本発明の要旨とするところは、以下の通り
である。 (1)空気圧縮機に結合された燃焼機に結合されている
ガスタービンと、ガスタービンに結合された熱交換器に
連結されている蒸気タービンサイクルとからなるガスタ
ービン複合サイクル発電システムにおいて、燃料の水蒸
気改質システムを燃焼機に結合したことを特徴とするガ
スタービン複合サイクル発電システム。 (2)燃料の水蒸気改質システムにおいて、燃料を水素
ガス主体の改質ガスとする(1)記載のガスタービン複
合サイクル発電システム。 (3)ガスタービンの排ガスの一部又は全部を熱源とし
て、燃料の水蒸気改質システムに供給する(1)又は
(2)記載のガスタービン複合サイクル発電システム。 (4)ガスタービンの排ガスの一部及び燃料の水蒸気改
質システムが保有する熱を熱交換器に供給する(1)〜
(3)の何れか1項に記載のガスタービン複合サイクル
発電システム。 (5)空気圧縮機に結合された燃焼機に結合されている
ガスタービンと、ガスタービンに結合された熱交換器に
連結されている蒸気タービンサイクルとを有するガスタ
ービン複合サイクル発電システムにおいて、メタノール
水蒸気改質システムと燃料ガス供給システムとを燃焼機
に結合したことを特徴とするガスタービン複合サイクル
発電システム。 (6)ガスタービン入口ガス温度が1450℃以上であ
る(5)記載のガスタービン複合サイクル発電システ
ム。 (7)メタノール水蒸気改質システムがメタノールと蒸
気タービンサイクルの排蒸気から水蒸気改質反応により
メタノール改質ガスを得ると共に、該水蒸気改質反応に
必要な熱エネルギーを蒸気タービンの排蒸気及び/又は
ガスタービンの排ガスの一部又は全量により供給される
システムである(5)又は(6)記載のガスタービン複
合サイクル発電システム。 (8)メタノール改質ガスと燃料ガスとを予め混合した
後に燃焼機に供給する(5)〜(7)何れか1項に記載
のガスタービン複合サイクル発電システム。 (9)燃料が、メタンを含有する天然ガス、石炭熱分解
ガス及び/又はコークス炉ガスである(1)〜(8)の
何れか1項に記載のガスタービン複合サイクル発電シス
テム。
The gist of the present invention is as follows. (1) In a gas turbine combined cycle power generation system including a gas turbine coupled to a combustor coupled to an air compressor and a steam turbine cycle coupled to a heat exchanger coupled to the gas turbine, A gas turbine combined cycle power generation system, wherein a steam reforming system according to any one of claims 1 to 3 is combined with a combustor. (2) The gas turbine combined cycle power generation system according to (1), wherein the fuel is a reformed gas mainly composed of hydrogen gas in the fuel steam reforming system. (3) The gas turbine combined cycle power generation system according to (1) or (2), wherein part or all of the exhaust gas of the gas turbine is supplied as a heat source to the fuel steam reforming system. (4) A part of the exhaust gas of the gas turbine and the heat retained by the fuel steam reforming system are supplied to the heat exchanger.
The gas turbine combined cycle power generation system according to any one of (3). (5) In a gas turbine combined cycle power generation system having a gas turbine coupled to a combustor coupled to an air compressor, and a steam turbine cycle coupled to a heat exchanger coupled to the gas turbine, methanol A combined cycle power generation system for a gas turbine, wherein a steam reforming system and a fuel gas supply system are connected to a combustor. (6) The gas turbine combined cycle power generation system according to (5), wherein the gas temperature at the gas turbine inlet is 1450 ° C. or higher. (7) The methanol steam reforming system obtains a methanol-reformed gas by a steam reforming reaction from methanol and exhaust steam of a steam turbine cycle, and converts heat energy required for the steam reforming reaction into exhaust steam of the steam turbine and / or The gas turbine combined cycle power generation system according to (5) or (6), wherein the system is supplied by part or all of the exhaust gas of the gas turbine. (8) The gas turbine combined cycle power generation system according to any one of (5) to (7), wherein the methanol reformed gas and the fuel gas are mixed in advance and then supplied to the combustor. (9) The gas turbine combined cycle power generation system according to any one of (1) to (8), wherein the fuel is natural gas containing methane, coal pyrolysis gas, and / or coke oven gas.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。図1は、天然ガスを燃料としたガスタービン複合サ
イクル発電システムの例である。このシステムにはガス
タービンの排ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスを
水蒸気改質する反応システム、改質ガスの熱エネルギー
回収システムが組み込まれており、燃料ガス中のメタン
の一部が水蒸気改質により水素に転換され水素濃度の上
昇した改質ガスが燃焼機に供給される。メタンの水蒸気
改質反応は吸熱反応であり、ガスタービン排熱を熱源と
して利用する必要があるが、上記メタンの水蒸気改質反
応式に示される様に、1モルのメタンから4モルの水素
が生するため、下記に示すメタン、水素の低位発熱量値
からも明らかな様に、発熱量の増大、エクセルギーの増
幅が可能となる。 ・メタンの低位発熱量:191.8kcal/mol ・水素の低位発熱量 : 57.8kcal/mol
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be specifically described below. FIG. 1 is an example of a gas turbine combined cycle power generation system using natural gas as a fuel. This system incorporates a reaction system for steam reforming natural gas using the heat energy of the exhaust gas from a gas turbine, and a thermal energy recovery system for reformed gas. The reformed gas which is converted into hydrogen depending on the quality and has an increased hydrogen concentration is supplied to the combustor. The steam reforming reaction of methane is an endothermic reaction, and it is necessary to use the exhaust heat of a gas turbine as a heat source. However, as shown in the steam reforming reaction formula of methane, 4 moles of hydrogen are converted from 1 mole of methane. As can be seen from the lower calorific value of methane and hydrogen shown below, the calorific value can be increased and exergy can be amplified.・ Lower calorific value of methane: 191.8 kcal / mol ・ Lower calorific value of hydrogen: 57.8 kcal / mol

【0024】天然ガス中のメタンの水蒸気改質反応をガ
スタービン排熱を利用して進行させるべく、過剰の水蒸
気を天然ガスと共に投入する(ストリーム2)。この天
然ガスと水蒸気との混合ガスは約600℃の温度で断熱
型水蒸気改質器に導入され、メタンの一部は水素と二酸
化炭素に転換される(ストリーム3)。ここで、反応を
生成系にシフトさせるべく過剰の水蒸気を同伴させてい
るが、反応系にセラミックス水素分離膜を組込み水素を
系外に取り出すことにより反応を促進させることも可能
である。改質された天然ガスは、熱交換器に導入され、
その有する熱は水蒸気として回収され水蒸気タービンの
駆動源として利用される(ストリーム11)。一方、熱
回収された改質天然ガス(ストリーム4)は、気液分離
器に導入され水分が除去された後、圧縮機での加圧(ス
トリーム5)、加圧空気との混合を経て燃焼器に導入さ
れ燃焼される。燃焼排ガス(ストリーム7)は、ガスタ
ービンに導入され熱エネルギーが電力として回収され
る。
Excess steam is introduced together with the natural gas so that the steam reforming reaction of the methane in the natural gas proceeds using the exhaust heat of the gas turbine (stream 2). This mixed gas of natural gas and steam is introduced into an adiabatic steam reformer at a temperature of about 600 ° C., and a part of methane is converted into hydrogen and carbon dioxide (stream 3). Here, excess steam is accompanied to shift the reaction to the production system. However, the reaction can be promoted by incorporating a ceramic hydrogen separation membrane into the reaction system and extracting hydrogen out of the system. The reformed natural gas is introduced into a heat exchanger,
The heat of the steam is recovered as steam and used as a drive source of a steam turbine (stream 11). On the other hand, the heat-recovered reformed natural gas (stream 4) is introduced into a gas-liquid separator to remove water, and then pressurized by a compressor (stream 5) and mixed with pressurized air for combustion. It is introduced into the vessel and burned. The combustion exhaust gas (stream 7) is introduced into a gas turbine, and thermal energy is recovered as electric power.

【0025】また、図2は、メタノール及び炭化水素ガ
ス燃料としてメタンを含有する天然ガスを利用するガス
タービン複合サイクル発電システムの例である。このシ
ステムには、ガスタービン排ガスの熱エネルギーを利用
してメタノールを水蒸気改質する反応システムが組み込
まれており、メタノールの概ね全量が水蒸気改質により
水素、及び、二酸化炭素に転換され、水素濃度の高い改
質ガスが天然ガスの主成分であるメタンと共に燃焼器に
供給される。メタノールの水蒸気改質反応は吸熱反応で
あり、ガスタービン排熱を熱源として利用する必要があ
るが、前記のメタノール改質反応式に示される様に、1
モルのメタノールから3モルの水素が生成するため、発
熱量の増大、エクセルギーの増幅が可能となる。
FIG. 2 shows an example of a gas turbine combined cycle power generation system utilizing natural gas containing methane as methanol and hydrocarbon gas fuel. This system incorporates a reaction system for steam reforming methanol using the thermal energy of gas turbine exhaust gas. Almost all of the methanol is converted to hydrogen and carbon dioxide by steam reforming, and the hydrogen concentration is reduced. Is supplied to the combustor together with methane, which is a main component of natural gas. The steam reforming reaction of methanol is an endothermic reaction, and it is necessary to use the exhaust heat of the gas turbine as a heat source.
Since 3 moles of hydrogen are generated from moles of methanol, it is possible to increase the calorific value and amplify exergy.

【0026】メタノールの水蒸気改質反応を効率良く行
うために、高圧蒸気タービンの排蒸気の一部(ストリー
ム12)をメタノールと共に供給し、併せ、ガスタービ
ン排ガス(ストリーム6)の熱を利用して反応熱を供給
する。同水蒸気改質反応は、約250℃で進行し、概ね
全量のメタノールが水素と二酸化炭素に転換される(ス
トリーム2)。ここで、反応を生成系にシフトさせるべ
く過剰の水蒸気を供給しているが、反応系に分子篩効果
を有するセラミックス多孔質膜を組込み、生成する水素
を系外に取り出すことにより反応を促進させることも可
能である。燃焼器内での局部的高温度域の生成に起因す
る窒素酸化物生成を抑制すべく、メタノール水蒸気改質
ガスと天然ガスを混合後、燃焼器に供給し、1450℃
以上の燃焼ガスを得る(ストリーム5)。この高温燃焼
排ガスは、ガスタービン発電器により電気エネルギーに
変換される。ガスタービン排ガスは、その熱エネルギー
をメタノール水蒸気改質器に供給した後、蒸気タービン
サイクルから生成する水と熱交換し、廃熱回収を完了す
る(トリーム7、8)。このガスタービン排熱回収工程
で発生する高圧水蒸気(ストリーム10)は、高圧蒸気
タービンにより電気エネルギーに変換される。高圧蒸気
タービンからの低圧排蒸気は(ストリーム11)の一部
は、メタノール水蒸気改質反応器に導入され反応に利用
され、残りの低圧排蒸気は低圧蒸気タービンにより電気
エネルギーに変換される(ストリーム13、14)。
In order to carry out the steam reforming reaction of methanol efficiently, a part of the steam discharged from the high-pressure steam turbine (stream 12) is supplied together with methanol, and the heat of the gas turbine exhaust gas (stream 6) is utilized. Supply reaction heat. The steam reforming reaction proceeds at about 250 ° C., and substantially all of the methanol is converted to hydrogen and carbon dioxide (stream 2). Here, excess steam is supplied to shift the reaction to the production system.However, the reaction is promoted by incorporating a ceramic porous membrane having a molecular sieve effect into the reaction system and taking out the generated hydrogen out of the system. Is also possible. In order to suppress the formation of nitrogen oxides due to the formation of a local high-temperature region in the combustor, after mixing the steam reformed methanol gas and the natural gas, the mixture is supplied to the combustor, and 1450 ° C
The above combustion gas is obtained (stream 5). This high-temperature combustion exhaust gas is converted into electric energy by a gas turbine generator. After supplying the thermal energy to the methanol steam reformer, the gas turbine exhaust gas exchanges heat with water generated from the steam turbine cycle to complete waste heat recovery (trimes 7, 8). The high-pressure steam (stream 10) generated in the gas turbine exhaust heat recovery step is converted into electric energy by the high-pressure steam turbine. A part of the low-pressure exhaust steam from the high-pressure steam turbine (stream 11) is introduced into the methanol steam reforming reactor and used for the reaction, and the remaining low-pressure exhaust steam is converted into electric energy by the low-pressure steam turbine (stream 11). 13, 14).

【0027】なお、本発明において用いる燃料としての
ガスは、天然ガスに限定されることなく、メタンを含む
ガス全般に応用可能であり、例えば、石炭熱分解ガス或
いはコークス炉ガス(COG)を挙げることができ、こ
れらを単独もしくは適宜混合して使用することが可能で
ある。
The gas used as a fuel in the present invention is not limited to natural gas, but can be applied to all gases including methane, such as coal pyrolysis gas or coke oven gas (COG). And these can be used alone or in combination as appropriate.

【0028】[0028]

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。 (実施例1)上記基礎データーに基づき、図1に示すシ
ステムを構築した際のプロセス諸元を表1に示す。尚、
表中に示すガス成分濃度は体積%で、流量は百万Nm3
/日単位(MNm3 /D)で示してある。又、システム
のエネルギー収支を表2に示す。
The present invention will be described below with reference to examples. (Example 1) Table 1 shows the process parameters when the system shown in FIG. 1 was constructed based on the above basic data. still,
The gas component concentration shown in the table is volume%, and the flow rate is 1 million Nm 3
/ Day unit (MNm 3 / D). Table 2 shows the energy balance of the system.

【0029】[0029]

【表1】 [Table 1]

【0030】[0030]

【表2】 [Table 2]

【0031】本実施例では、圧縮器及び膨張タービンの
機械効率を100%、断熱効率を80%としている。
又、メタンの水蒸気改質反応の副反応として、以下の反
応も考慮している。 2CH4 +O2 =CO+4H2 従って、改質天然ガス中には、一酸化炭素も含まれてい
る(ストリーム5)。燃焼器では熱力学的平衡状態にな
るものとし、又、燃焼ガスのタービン入口温度が135
0℃になる様に燃焼機への空気導入量を調整している。
In this embodiment, the mechanical efficiency of the compressor and the expansion turbine is set to 100%, and the adiabatic efficiency is set to 80%.
The following reactions are also considered as side reactions of the methane steam reforming reaction. 2CH 4 + O 2 = CO + 4H 2 Therefore, the reformed natural gas also contains carbon monoxide (stream 5). In the combustor, a thermodynamic equilibrium state is established, and the turbine inlet temperature of the combustion gas is 135.
The amount of air introduced into the combustor is adjusted so as to reach 0 ° C.

【0032】(実施例2)上記基本システム概念に基づ
き、図2に示すシステムを構築した際のプロセス諸元を
表3示す。尚、表中に示すガス成分濃度は体積%で、流
量はkgmol/h 単位で示してある。又、システムのエネル
ギー収支を表4に示す。
(Embodiment 2) Table 3 shows process data when the system shown in FIG. 2 is constructed based on the basic system concept. The gas component concentration shown in the table is% by volume, and the flow rate is shown in kgmol / h. Table 4 shows the energy balance of the system.

【0033】[0033]

【表3】 [Table 3]

【0034】[0034]

【表4】 [Table 4]

【0035】本実施例では、圧縮器のポリトロープ効
率、及び、ガスタービンの断熱効率を92.5%、蒸気
タービンの断熱効率を96%、ポンプの断熱効率を75
%としている。又、メタノールの水蒸気改質反応におけ
る下記副反応は、生成するCOが微少なため無視してい
る。 CO2 +H2 =CO+H2 O メタノール水蒸気改質反応器においては、熱力学的平衡
状態になるものとし、又、燃焼ガスのタービン入口温度
が1450℃になる様に燃焼器への空気導入量を調整し
ている。
In this embodiment, the polytropic efficiency of the compressor, the heat insulating efficiency of the gas turbine are 92.5%, the heat insulating efficiency of the steam turbine is 96%, and the heat insulating efficiency of the pump is 75.
%. In addition, the following side reactions in the steam reforming reaction of methanol are ignored because the amount of generated CO is very small. CO 2 + H 2 = CO + H 2 O In the methanol steam reforming reactor, a thermodynamic equilibrium state is assumed, and the amount of air introduced into the combustor is adjusted so that the turbine inlet temperature of the combustion gas becomes 1450 ° C. I am adjusting.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明の実施例1でのシステムの発電規
模は、約49万kWとなり、又、発電効率は、高位発熱量
基準で約59%となる。同一流量の天然ガスを直接燃焼
機に投入しガスタービン複合サイクル発電を行う場合の
発電効率は53.5%となることから、本発明のシステ
ムにより約5.5%の発電効率向上が達成される。つま
り、燃料使用量として約10%の削減が可能となり、二
酸化炭素排出量も10%削減することができる。
The power generation scale of the system according to the first embodiment of the present invention is about 490,000 kW, and the power generation efficiency is about 59% on the basis of the higher heating value. When the same flow rate of natural gas is directly injected into the combustor to perform gas turbine combined cycle power generation, the power generation efficiency is 53.5%. Therefore, the power generation efficiency of the present invention is improved by about 5.5%. You. That is, the fuel consumption can be reduced by about 10%, and the carbon dioxide emission can be reduced by 10%.

【0037】また、本発明の実施例2のシステムの発電
効率は、約53%となり、天然ガス、又は、メタノール
を単独燃料とした同様のガスタービン複合サイクル発電
の運転条件下では、発電効率は約52%となることか
ら、本発明のシステムにより1%強の発電効率向上が達
成される。つまり、燃料使用量として2%強の削減が可
能となり、二酸化炭素排出量も2%強削減することがで
きる。又、メタノールの直接燃焼発電では、不完全燃焼
に伴うアセトアルデヒド等の有害物質の排出が懸念され
ているが、本発明のシステムでは回避でき環境負荷の低
減が可能である。更には、本発明のシステムでは、天然
ガスをメタノールに転換して輸送・貯蔵・流通性を向上
させた燃料として用いるため、燃料導入に際して必要と
なるインフラ整備コストの大幅な低減が可能となる。
The power generation efficiency of the system according to the second embodiment of the present invention is about 53%. Under the same gas turbine combined cycle power generation operation using natural gas or methanol as the sole fuel, the power generation efficiency is about 53%. Since it is about 52%, the system of the present invention achieves power generation efficiency improvement of over 1%. That is, the fuel consumption can be reduced by more than 2%, and the carbon dioxide emission can be reduced by more than 2%. Further, in the direct combustion power generation of methanol, emission of harmful substances such as acetaldehyde due to incomplete combustion is concerned. However, the system of the present invention can avoid the harmful substances and can reduce the environmental load. Further, in the system of the present invention, natural gas is converted to methanol and used as a fuel with improved transport, storage and distribution properties, so that it is possible to greatly reduce infrastructure maintenance costs required for fuel introduction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】ガスタービン排気系に天然ガスの水蒸気改質反
応器と改質天然ガスの熱回収系を組み込み、この改質天
然ガスを燃料ガスとするガスタービン複合サイクル発電
システムの簡単なフローを示す図である。尚、フローを
示す示す矢印上にある円に囲まれた数字はストリーム番
号に対応し、本文(ただし、本文では円は省略)ならび
に表1で参照されている。
FIG. 1 shows a simplified flow chart of a gas turbine combined cycle power generation system incorporating a natural gas steam reforming reactor and a reformed natural gas heat recovery system in a gas turbine exhaust system, and using the reformed natural gas as a fuel gas. FIG. It should be noted that the circled numbers on the arrows indicating the flows correspond to the stream numbers and are referred to in the text (however, the circle is omitted in the text) and Table 1.

【図2】ガスタービン排気系にメタノールの水蒸気改質
反応器を組み込み、高圧蒸気タービン排蒸気を改質反応
用原料として一部供し、このメタノール水蒸気改質ガス
と炭化水素ガス含有燃料としての天然ガスとを混合して
燃料として利用するガスタービン複合サイクル発電シス
テムの簡単なフローを示す図である。尚、フローを示す
示す矢印上にある円に囲まれた数字はストリーム番号に
対応し、本文(ただし、本文では円は省略)ならびに表
3で参照されている。
[FIG. 2] A steam reforming reactor for methanol is incorporated in a gas turbine exhaust system, and steam discharged from a high-pressure steam turbine is partially provided as a raw material for a reforming reaction. It is a figure showing a simple flow of a gas turbine combined cycle power generation system which mixes gas and uses it as fuel. It should be noted that the circled numbers on the arrows indicating the flows correspond to the stream numbers, which are referred to in the text (however, circles are omitted in the text) and Table 3.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 祐治 神奈川県川崎市中原区井田3丁目35番1号 新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者 兼田 善弘 神奈川県川崎市中原区井田3丁目35番1号 新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者 藤本 健一郎 神奈川県川崎市中原区井田3丁目35番1号 新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者 栗村 英樹 東京都渋谷区幡ケ谷1丁目31番10号 帝国 石油株式会社内 (72)発明者 加賀野井 彰一 東京都渋谷区幡ケ谷1丁目31番10号 帝国 石油株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yuji Kubo 3-35-1, Ida, Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Yoshihiro Kaneda Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa 3-35-1, Ida Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Kenichiro Fujimoto 3-35-1, Ida, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Hideki Kurimura 1-31-10 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Inside Teikoku Oil Co., Ltd. (72) Inventor Shoichi Kaganoi 1-31-10 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Teikoku Oil Corporation

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 空気圧縮機に結合された燃焼機に結合さ
れているガスタービンと、ガスタービンに結合された熱
交換器に連結されている蒸気タービンサイクルとからな
るガスタービン複合サイクル発電システムにおいて、燃
料の水蒸気改質システムを燃焼機に結合したことを特徴
とするガスタービン複合サイクル発電システム。
A gas turbine combined cycle power generation system comprising a gas turbine coupled to a combustor coupled to an air compressor and a steam turbine cycle coupled to a heat exchanger coupled to the gas turbine. A combined cycle power generation system for a gas turbine, wherein a fuel steam reforming system is connected to a combustor.
【請求項2】 燃料の水蒸気改質システムにおいて、燃
料を水素ガス主体の改質ガスとする請求項1記載のガス
タービン複合サイクル発電システム。
2. The gas turbine combined cycle power generation system according to claim 1, wherein the fuel is a reformed gas mainly composed of hydrogen gas in the fuel steam reforming system.
【請求項3】 ガスタービンの排ガスの一部又は全部を
熱源として、燃料の水蒸気改質システムに供給する請求
項1又は2記載のガスタービン複合サイクル発電システ
ム。
3. The gas turbine combined cycle power generation system according to claim 1, wherein a part or all of the exhaust gas of the gas turbine is supplied as a heat source to the fuel steam reforming system.
【請求項4】 ガスタービンの排ガスの一部及び燃料の
水蒸気改質システムが保有する熱を熱交換器に供給する
請求項1〜3の何れか1項に記載のガスタービン複合サ
イクル発電システム。
4. The gas turbine combined cycle power generation system according to claim 1, wherein a part of the exhaust gas of the gas turbine and the heat retained by the fuel steam reforming system are supplied to the heat exchanger.
【請求項5】 空気圧縮機に結合された燃焼機に結合さ
れているガスタービンと、ガスタービンに結合された熱
交換器に連結されている蒸気タービンサイクルとを有す
るガスタービン複合サイクル発電システムにおいて、メ
タノール水蒸気改質システムと燃料ガス供給システムと
を燃焼機に結合したことを特徴とするガスタービン複合
サイクル発電システム。
5. A combined cycle power generation system for a gas turbine having a gas turbine coupled to a combustor coupled to an air compressor and a steam turbine cycle coupled to a heat exchanger coupled to the gas turbine. A combined gas turbine combined cycle power generation system wherein a methanol steam reforming system and a fuel gas supply system are connected to a combustor.
【請求項6】 ガスタービン入口ガス温度が1450℃
以上である請求項5記載のガスタービン複合サイクル発
電システム。
6. A gas turbine inlet gas temperature of 1450 ° C.
The gas turbine combined cycle power generation system according to claim 5, which is as described above.
【請求項7】 メタノール水蒸気改質システムがメタノ
ールと蒸気タービンサイクルの排蒸気から水蒸気改質反
応によりメタノール改質ガスを得ると共に、該水蒸気改
質反応に必要な熱エネルギーを蒸気タービンの排蒸気及
び/又はガスタービンの排ガスの一部又は全量により供
給されるシステムである請求項5又は6記載のガスター
ビン複合サイクル発電システム。
7. A methanol steam reforming system obtains a methanol-reformed gas by a steam reforming reaction from methanol and exhaust steam of a steam turbine cycle, and transfers heat energy required for the steam reforming reaction to exhaust steam of the steam turbine and steam. The gas turbine combined cycle power generation system according to claim 5 or 6, wherein the system is supplied by part or all of the exhaust gas of the gas turbine.
【請求項8】 メタノール改質ガスと燃料ガスとを予め
混合した後に燃焼機に供給する請求項5〜7の何れか1
項に記載のガスタービン複合サイクル発電システム。
8. The method according to claim 5, wherein the methanol reformed gas and the fuel gas are mixed in advance and then supplied to the combustor.
The gas turbine combined cycle power generation system according to the above paragraph.
【請求項9】 燃料が、メタンを含有する天然ガス、石
炭熱分解ガス及び/又はコークス炉ガスである請求項1
〜8の何れか1項に記載のガスタービン複合サイクル発
電システム。
9. The fuel according to claim 1, wherein the fuel is natural gas containing methane, coal pyrolysis gas and / or coke oven gas.
The gas turbine combined cycle power generation system according to any one of claims 8 to 8.
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