JP2004210597A - 排熱利用水素・酸素システムおよび液体水素の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気発電プラントの排熱を利用して炭酸ガスの排出の無い燃料である液体水素および助燃剤である液体酸素を経済的に製造し供給することのできる排熱利用水素・酸素システムおよび液体水素の製造方法を提供する。
【解決手段】水蒸気および電力を発生する水蒸気発電システム１と、水より沸点の低い媒体を作動媒体とし前記水蒸気発電システム１からの抽気または排気を用いて電力と冷媒を生成する排熱利用冷熱・発電システム５と、純水を電気分解する水電解装置１０と、前記排熱利用冷熱・発電システム５から冷媒を供給されて前記水電解装置１０において生成された水素ガスおよび酸素ガスを冷却し液化する水素精製液化装置１６および酸素液化装置１２と、前記水素精製液化装置１６に液体窒素を循環させて水素ガスを冷却する窒素再液化装置１７と、前記液化された液体水素および液体酸素を貯蔵する液体水素貯蔵槽１８および液体酸素貯蔵槽１４と、前記水電解装置１０に純水を供給する純水製造装置１３とを備えた構成とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントで生成した電気で水の電気分解を行って水素と酸素を製造し、前記発電プラントの排熱によって前記水素と酸素を液化して各種用途に供する排熱利用水素・酸素システムおよび液体水素の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、人類は急速な経済発展に伴うエネルギー需要の急増が現実化する下で、地球温暖化や酸性雨等の地球規模的な環境問題に直面している。エネルギーの利用形態としては電気と熱があるが、所得水準が向上するにつれて使い易い電気の需要が増大する傾向がある。電力や熱は昼間の需要に対して夜間にはその４０％程度に減少する変動があるため、夜間の発電プラントの稼動率を向上させる方策が検討されている。
【０００３】
人々の移動手段としての自動車はエネルギー効率は悪いが、利便性の上からは重要な手段である。自動車の動力源として、現在はガソリンや軽油を燃料とするレシプロエンジンが主流となっている。そのため自動車が排出する炭酸ガスを削減することが地球温暖化防止の観点から重要な課題になっている。
【０００４】
この問題を解決するための大気汚染対策として水素燃料エンジンの開発が行われている。水素燃料エンジンを採用する場合、水素の貯蔵と輸送には気体より液体の方が効率的であるために液化技術の開発が鋭意行われている。
また、離島に水の電気分解施設を設置して、生産した水素を東京圏、大阪圏、中国大陸の巨大都市圏等に輸送して販売する道が開ける情勢になりつつある。
【０００５】
太平洋側の水深２００ｍの海洋深層水は７℃程度の低温であり、海表面水との温度差で発電が可能であるが、低温側と高温側に大型の熱交換器が必要であるために建設費が高くなるため、既設発電プラントのボトミングに付設して建設費を削減する検討がなされている。
【０００６】
日本周辺の海洋深層水の取水適地として琉球諸島や、伊豆諸島、小笠原諸島がある。清浄で栄養塩に富む海洋深層水を加温して養殖を行うことが可能であり、今後動物性たんぱく質に対する膨大な需要に対処することができるようになる可能性を秘めている。
【０００７】
下記特許文献１では、ゴミ焼却場や火力発電所の廃熱と熱電発電素子で直流を生成して水の電気分解を行って水素ガスを製造して貯蔵し、水素自動車、燃料電池、燃焼設備等に供給するシステムが提案されている。
【０００８】
また下記特許文献２では、太陽電池、風力発電機、波動発電機あるいは地熱発電機を用いて得られる電気で水を電気分解して水素と酸素を得、水素はランタン・ニッケル合金、鉄チタン合金からなる水素吸蔵合金に吸蔵させて水素自動車で用いるシステムの提案を行っている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−１９２８７７号公報
【特許文献２】
特開平１０−２９９５７６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、今後の経済発展に伴い膨大な電気エネルギーや自動車駆動エネルギーの需要が発生するが、炭酸ガスの排出による地球温暖化を防止しながらこれに対処するには原子力エネルギーの利用あるいは１００％炭酸ガスを回収する化石燃料の利用による発電と水素製造を行う必要がある。
【００１１】
本発明はかかる課題に対処してなされたものであり、水蒸気発電プラントの排熱を利用して炭酸ガスの排出の無い燃料である液体水素および助燃剤である液体酸素を経済的に製造し供給することのできる排熱利用水素・酸素システムおよび液体水素の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、水蒸気および電力を発生する水蒸気発電システムと、水より沸点の低い媒体を作動媒体とし前記水蒸気発電システムからの抽気または排気を用いて電力と冷媒を生成する排熱利用冷熱・発電システムと、前記水蒸気発電システムまたは前記排熱利用冷熱・発電システムから電力を供給されて純水を電気分解する水電解装置と、前記排熱利用冷熱・発電システムから冷媒を供給されて前記水電解装置において生成された水素ガスおよび酸素ガスを冷却し液化する水素精製液化装置および酸素液化装置と、前記水素精製液化装置に液体窒素を循環させて水素ガスを冷却する窒素再液化装置と、前記液化された液体水素および液体酸素を貯蔵する液体水素貯蔵槽および液体酸素貯蔵槽と、前記水電解装置に純水を供給する純水製造装置とを備えた構成とする。
【００１３】
請求項２の発明は、前記水蒸気発電システムに設けられ前記液体酸素貯蔵槽より酸素を供給されて化石燃料またはバイオマス燃料または廃棄物燃料を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させる蒸気発生装置と、前記燃焼で発生する炭酸ガスを液化する炭酸ガス液化装置と、前記液化された液体炭酸ガスを貯蔵する液体炭酸ガス貯蔵槽とを備えている構成とする。
【００１４】
請求項３の発明は、前記水蒸気発電システムに設けられたタービンの抽気蒸気を導いて前記電気分解する純水を加熱する熱交換器と、前記排熱利用冷熱・発電システムから冷媒を導いて前記電気分解で発生した水素ガスと酸素ガスをそれぞれ冷却する熱交換器とを備えている構成とする。
【００１５】
請求項４の発明は、前記酸素液化装置は、前記酸素液化装置に設けられた圧縮機で酸素ガスを圧縮した時に発生する圧縮熱を前記排熱利用冷熱・発電システムで生成した冷媒で最初に熱回収を行う熱交換器を備えている構成とする。
【００１６】
請求項５の発明は、前記窒素再液化装置は、前記窒素再液化装置に設けられた圧縮機で窒素ガスを圧縮した時に発生する圧縮熱を前記排熱利用冷熱・発電システムで生成した冷媒で最初に熱回収を行う熱交換器を備えている構成とする。
【００１７】
請求項６の発明は、前記水素精製液化装置は、前記水素精製液化装置に設けられた圧縮機で水素ガスを圧縮した時に発生する圧縮熱を前記排熱利用冷熱・発電システムで生成した冷媒で最初に熱回収を行う熱交換器を備えている構成とする。
【００１８】
請求項７の発明は、前記水素精製液化装置は、生成した液体水素を分岐し加圧して水素ガスを冷却する極低温冷媒供給サイクルを備えている構成とする。
請求項８の発明は、前記酸素液化装置は、生成した液体酸素の一部を加圧して酸素ガスを液化するための極低温冷媒とする構成とする。
【００１９】
請求項９の発明は、前記窒素再液化装置は、生成した液体窒素の一部を加圧して窒素ガスを液化するための極低温冷媒とする構成とする。
請求項１０の発明は、前記排熱利用冷熱・発電システムは、復液器を共用する低沸点媒体蒸気発生装置と吸収式冷凍機を備えている構成とする。
【００２０】
請求項１１の発明は、蒸気発生装置、水蒸気タービンおよび発電機を備えた水蒸気発電システムで蒸気生成と発電を行い、前記水蒸気発電システムのタービン抽気蒸気または排気蒸気を吸収式冷凍機、低沸点媒体蒸気発生装置、低沸点媒体蒸気タービンおよび発電機を備えた排熱利用冷熱・発電システムに導いて冷媒生成と発電を行い、前記水蒸気発電システムで発電された電力または前記排熱利用冷熱・発電システムで発電された電力を水電解装置に導いて水を電気分解して水素ガスを生成し、前記水素ガスを前記排熱利用冷熱・発電システムで生成された冷媒によって冷却し、液体窒素で冷却し、加圧し、断熱膨張させて液体水素にする構成とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１〜図７を参照して説明する。
本実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、図１に示すように、水蒸気発電システム１と、排熱利用冷熱・発電システム５と、水電解装置１０と、酸素液化装置１２と、水素精製液化装置１６と、窒素再液化装置１７と、熱交換器１１，１５および液体酸素貯蔵槽１４、液体水素貯蔵槽１８、純水製造装置１３を備えている。
【００２２】
この第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、水蒸気発電システム１の抽気蒸気および排気蒸気を排熱利用冷熱・発電システム５に導いて発電と冷媒生成を行い、水蒸気発電システム１で発生した電力または排熱利用冷熱・発電システム５で発生した電力を水電解装置１０に導き、水電解装置１０で生成された酸素ガス２６および水素ガス３０を排熱利用冷熱・発電システム５で生成した冷媒で冷却し、酸素液化装置１２、水素精製液化装置１６に導いて液体酸素７、液体水素３３を製造し、液体酸素貯蔵槽１４と液体水素貯蔵槽１８に貯蔵する。窒素再液化装置１７は水素精製液化装置１６に液体窒素を循環させて水素ガスを冷却し、純水製造装置１３は、水電解装置１０に供給する水の前処理を行う。
【００２３】
水蒸気発電システム１は、蒸気発生装置２、水蒸気タービン３、発電機４等で構成される。排熱利用冷熱・発電システム５は、吸収式冷凍機９、低沸点媒体蒸気発生装置６、低沸点媒体蒸気タービン７、発電機８等で構成されていて作動媒体として水・アンモニア混合媒体が用いられる。
【００２４】
水蒸気発電システム１の蒸気発生装置２で生成された水蒸気は水蒸気タービン３に導かれ、抽気蒸気１９は排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９に導かれる。水蒸気タービン３の排気蒸気２０は排熱利用冷熱・発電システム５の低沸点媒体蒸気発生装置６に導かれる。
【００２５】
水蒸気タービン３と発電機４は同軸に結合され、水蒸気タービン３で発電機４を駆動して発電を行う。排熱利用冷熱・発電システム５の低沸点媒体蒸気発生装置６より復水が蒸気発生装置２に循環する。
【００２６】
蒸気発生装置２は、石油、石炭、天然ガス等の化石燃料、間伐材、木屑等のバイオマス燃料を燃焼させるボイラ、ゴミ等の可燃廃棄物を燃焼させるボイラ、核物質の分裂、核融合で発生する熱利用ボイラ、地熱、温泉水を利用するボイラ等である。
【００２７】
排熱利用冷熱・発電システム５の低沸点媒体蒸気発生装置６は、加熱器、高圧分離器、復液器、熱交換器、加圧ポンプ、絞り弁、減圧弁等で構成されている。吸収式冷凍機９は、冷媒蒸気を発生する発生器、凝縮器、過冷却器、熱交換器、蒸発器、膨張弁、復液器、加圧ポンプ等で構成される。
【００２８】
水蒸気発電システム１の水蒸気タービン３の抽気蒸気１９（約４０６ Ｋ）が、排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９における発生器の熱交換部に導かれ、熱交換後に低沸点媒体蒸気発生装置６の加熱器の熱交換部に導かれ、熱交換後に復水して水蒸気発電システム１の蒸気発生装置２に還流する。
【００２９】
吸収式冷凍機９の蒸発器の熱交換部で冷却された冷媒２３（約２２３ Ｋ）が、熱交換器１１、１５の熱交換部に導かれて酸素ガス、水素ガスを冷却して約３００Ｋになって循環する。
【００３０】
水蒸気発電システム１の水蒸気タービン３の排気蒸気２０（約３２０Ｋ）が、排熱利用冷熱・発電システム５の低沸点媒体蒸気発生装置６における加熱器の熱交換部に導かれ、熱交換後に復水して水蒸気発電システム１の蒸気発生装置２に還流する。
【００３１】
低沸点媒体蒸気発生装置６の加熱器で加熱された低沸点媒体（濃度約９４％）が高圧分離器に導かれて高濃度低沸点媒体蒸気と低濃度低沸点媒体液に分離され、高濃度低沸点媒体蒸気が、低沸点媒体蒸気タービン７に導かれ同軸に結合された発電機８を駆動して発電を行う。
【００３２】
低沸点媒体蒸気タービン７の排気蒸気は、低沸点媒体蒸気発生装置６に導かれ低濃度低沸点媒体液に混合吸収され復液器に導かれて冷却水２１で冷却されて復液し、この復液は加圧ポンプで加圧されて加熱器に還流する。
【００３３】
水電解装置１０は、アルカリ水電解法か固体高分子型水電解法を用いる。淡水２４を純水製造装置１３に導いて純水２５を製造して水電解装置１０に導き、電気分解で酸素ガスと、水素ガスを製造する。酸素ガス２６と水素ガス３０（約３０３Ｋ）はそれぞれ熱交換器１１、１５に導かれて、排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９で生成された冷媒２３で約２２６Ｋに冷却されてから酸素液化装置１２、水素精製液化装置１６に導かれて液化される。
【００３４】
液体酸素２７（約８０Ｋ）と液体水素３３（約２０Ｋ）はそれぞれ、液体酸素貯蔵槽１４と液体水素貯蔵槽１８に導かれて貯蔵される。貯蔵中に気化した酸素ガス２８、水素ガス３４は、酸素液化装置１２、水素精製液化装置１６に戻して再液化する。液体酸素貯蔵槽１４、液体水素貯蔵槽１８から液体酸素２９、液体水素３５を需要者に供給する。
【００３５】
また、窒素再液化装置１７より水素精製液化装置１６に液体窒素３１を補助冷媒として移送し、水素精製液化装置１６で水素ガスを冷却して発生した窒素ガス３２を窒素再液化装置１７に導いて液体窒素に変換する。
【００３６】
水電解装置１０と純水製造装置１３の機器構成および流体のフローを図２に示す。水電解装置１０は、電解槽３９、気液分離器４０、４１、熱交換器４２、４３、４４、４５、１８８、循環ポンプ４６、４７、４８、純水貯蔵槽４９、整流器３８等で構成される。純水製造装置１３は、純水製造ユニット５０、加圧ポンプ５１、受水槽５２等で構成されている。
【００３７】
水電解装置１０の電解槽３９で純水（約３９３Ｋ、０．８ＭＰａ）を電気分解して得られた水素と酸素は気液分離器４０、４１に導かれてガスと純水に分離される。ガスは熱交換器４２、４３に導かれて約３０３Ｋに冷却され、ガス成分は水素ガス３０、酸素ガス２６として取り出される。
【００３８】
熱交換器４２、４３で液化回収された純水（約３０３Ｋ）は気液分離器４０、４１に戻される。一方の気液分離器４０で分離された純水は純水貯蔵槽４９に導かれ、純水貯蔵槽４９の純水を循環ポンプ４８で他方の気液分離器４１に導く。気液分離器４１で分離された純水を循環ポンプ４７で熱交換器１８８を経由して電解槽３９に導き、電解槽３９において電気分解されなかった純水を気液分離器４０に循環させる。
【００３９】
熱交換器４２、４３の熱交換部に導かれた冷媒（約３００Ｋ）は熱交換をして高温（約３９０Ｋ）になり、循環ポンプ４６で加圧されて熱交換器４５の熱交換部に導かれ、さらに熱交換器４４に導かれ外部からの冷却媒体で冷却されて約３００Ｋになったものが熱交換器４２、４３の熱交換部に循環する。
【００４０】
純水貯蔵槽４９には純水製造装置１３の純水製造ユニット５０より純水２５が熱交換器４５で約３８７Ｋに加熱されて導かれる。熱交換器１８８の熱交換部には外部から加熱媒体３７（約３９６Ｋ）が導かれる。
【００４１】
純水製造装置１３の純水製造ユニット５０には、半透膜、イオン交換樹脂、電気脱イオン装置等が用いられる。淡水２４を受水槽５２に受け入れ、加圧ポンプ５１で淡水を約７ＭＰａに加圧して純水製造ユニット５０に導き、約０．８ＭＰａの純水２５を生成する。
【００４２】
純水製造ユニット５０で生成される純水の圧力を０．８〜１．３ＭＰａ程度にすることにより、電解槽３９で電気分解をして得られる原料水素の圧力を高くすることができ、水素精製液化装置１６での原料水素の圧縮比を大きくする必要がなくなる。
【００４３】
図３は、酸素液化装置１２の機器構成および流体のフローを示す。酸素液化装置１２は、ボイルオフ酸素ガス圧縮機５３、５４、タービン圧縮機５５、６７、膨張タービン５６、６６、熱交換器５７、５８、５９、６０、６３、気液分離器６２、６４、ジュールトムソン膨張弁６１、６５等で構成される。
【００４４】
原料酸素ガス２６（約２２６Ｋ）は、圧縮機５３で加圧されたボイルオフ酸素ガス、気液分離器６２で分離された酸素ガスと合流して圧縮機５４で２．４５ＭＰａに加圧される。その後、一部は熱交換器５７で約２３０Ｋまで冷却された後、膨張タービン５６に導かれ、断熱膨張されて低温冷媒となる。この低温冷媒は、気液分離器６２で分離された酸素ガスで熱交換器６０、５９において冷熱回収されたものと合流し、熱交換器５８、５７で冷熱を回収されて圧縮機５４に循環する。
【００４５】
圧縮機５４で２．４５ＭＰａに加圧された残りの酸素ガスは、膨張タービン５６の制動用圧縮機５５で３．７ＭＰａに加圧され、さらに膨張タービン６６の制動用圧縮機６７で５ＭＰａまで加圧され、熱交換器５７、５８、５９で約１７０Ｋまで冷却される。その後、一部は膨張タービン６６で０．８ＭＰａまで断熱膨張して冷却される。残りは熱交換器６０で冷却後にジュールトムソン膨張弁６１で０．８ＭＰａまで自由膨張させて気液二相流とし、前記一部と合流し気液分離器６２に導かれて気液に分離される。分離された酸素ガスは熱交換器６０、５９で冷熱を回収され、膨張タービン５６で断熱膨張をして冷却された酸素ガスと合流して熱交換器５８、５７で冷熱を回収されて圧縮機５４に入る。
【００４６】
気液分離器６２で分離した液体酸素は熱交換器６３で過冷却され、０．８ＭＰａ、８０．２５Ｋとなり、一部は液体酸素２７として液体酸素貯蔵槽１４に供給される。残りはジュールトムソン膨張弁６５で０．１ＭＰａまで自由膨張させて冷却し、気液分離器６４に導いて気液に分離される。そのうち、液体酸素は熱交換器６３で冷熱を回収されて酸素ガスとなり、気液分離器６４で分離された酸素ガス、液体酸素貯蔵槽１４のボイルオフ酸素ガス２８と合流して熱交換器６０、５９、５８、５７で冷熱を回収されて２２３Ｋとなって圧縮機５３に循環する。
【００４７】
図４は、水素クロードサイクル方式の水素精製液化装置１６の機器構成および流体のフローを示したものである。すなわち、水素精製液化装置１６は、原料水素圧縮機６８、ボイルオフ圧縮機９０、リサイクル圧縮機９１、９２、水素精製機６９、高温膨張タービン９３、低温膨張タービン９４、熱交換器７０〜７８、オルソ・パラ変換器７９〜８６、気液分離器８８、９５、ジュールトムソン膨張弁８７、８９、９６、減圧弁１８５等で構成される。
【００４８】
水電解装置１０より０．８ＭＰａの原料水素３０が供給され、原料水素圧縮機６８で５ＭＰａまで加圧され、水素精製機６９に導かれて１００％純度で２３６Ｋの水素ガスとなる。この水素ガスは、熱交換器７１に導かれて約１６０Ｋに冷却され、さらに熱交換器７２に導かれて、窒素再液化装置１７からの液体窒素３１（０．１２ＭＰａで蒸発）と熱交換を行って約８０Ｋまで冷却され、同時にオルソ・パラ変換器７９、８０で連続的にオルソ・パラ変換が行われる。その後、高温膨張タービン９３、低温膨張タービン９４で生成された冷媒で冷却された熱交換器７３、７４、７５、７６、に導かれて３０Ｋまで冷却され、同時にオルソ・パラ変換器８１、８２、８３、８４で連続的にオルソ・パラ変換が行われる。
【００４９】
その後、リサイクル系の気液分離器９５よりの液体パラ水素（０．１２ＭＰａで蒸発）、原料系の気液分離器８８で分離されたフラッシュガスおよび液体水素貯蔵槽１８で外気熱入力により蒸発するボイルオフガスの水素ガス３４によって冷却される熱交換器７７、７８に導かれて２０Ｋまで冷却され、同時にオルソ・パラ変換器８５、８６で連続的にオルソ・パラ変換が行われる。そのあと、膨張弁８７で０．１２ＭＰａまで自由膨張されてジュールトムソン効果により部分液化し、０．１２ＭＰａで９５％以上のパラ水素が気液分離器８８に導かれ、液体水素は膨張弁８９で０．１０６ＭＰａまで自由膨張され９９．８％以上のパラ水素となって液体水素貯蔵槽１８に導かれる。
【００５０】
原料系の気液分離器８８で分離されたフラッシュガス、および液体水素貯蔵槽１８で外気熱入力により蒸発したボイルオフガスの水素ガス３４は、熱交換器７８、７７、７６、７５、７４、７３、７１、７０で冷熱を回収されて２１３Ｋになり、ボイルオフ圧縮機９０で０．８ＭＰａまで加圧され、２２６Ｋになったものが原料水素ガス３０に合流する。
【００５１】
リサイクル圧縮機９２では０．６ＭＰａから４ＭＰａに加圧し、２３６Ｋの高圧水素ガスを熱交換器７０に導いて約８０Ｋに冷却し、熱交換器７１でさらに冷却して高温膨張タービン９３に導かれる。
【００５２】
高温膨張タービン９３で１．６６ＭＰａまで断熱膨張をさせて低温になった水素ガスが熱交換器７５に導かれて更に冷却されて低温膨張タービン９４に導かれる。そして低温膨張タービン９４で０．６ＭＰａまで断熱膨張をさせて低温になった水素ガスが熱交換器７６、７５、７４、７３、７１、７０で冷熱を回収されて２２６Ｋになってリサイクル圧縮機９２に導かれる。
【００５３】
高温膨張タービン９３で１．６６ＭＰａまで断熱膨張をさせて低温になって低温膨張タービン９４に導かれなかった残りのリサイクルガスは熱交換器７６、７７で冷却された後、膨張弁９６で０．１２ＭＰａまで等エントロピー膨張し、部分液化して気液分離器９５に導かれる。気液分離器９５で分離された液は熱交換器７８、７７で冷熱を回収されガス化し、気液分離器９５で分離されたガスと合流して熱交換器７６、７５、７４、７３、７１、７０で冷熱を回収されて２２６Ｋになった水素ガスがリサイクル圧縮機９１に導かれる。
【００５４】
図５は、膨張タービンの制動にタービン圧縮機を用いてリサイクル水素の圧縮を行う水素精製液化装置１６ａの機器構成および流体のフローを示したものである。すなわち、水素精製液化装置１６ａは、原料水素圧縮機６８、ボイルオフ圧縮機９０、リサイクル圧縮機９１、９２、９７、９８、９９、タービン圧縮機１００、１０１、水素精製機６９、高温膨張タービン９３、低温膨張タービン９４、熱交換器７０〜７８、オルソ・パラ変換器７９〜８６、気液分離器８８、９５、ジュールトムソン膨張弁８７、８９、９６、減圧弁１８５、等で構成される。この水素精製液化装置１６ａにおいては、膨張タービン９３，９４の制動にタービン圧縮機１００，１０１を用いてリサイクル水素の加圧を行う。
【００５５】
リサイクル圧縮機９２では０．６ＭＰａから１．５３ＭＰａに加圧し、一部はリサイクル圧縮機９７へ、残りは低温膨張タービン９４の制動用圧縮機１０１に導き、圧縮機１０１で１．６６ＭＰａに加圧し、リサイクル圧縮機９７で加圧された水素ガスと合流してリサイクル圧縮機９８に導いて３．６２ＭＰａに加圧する。
【００５６】
リサイクル圧縮機９８で加圧された一部は高温膨張タービン９３の制動用圧縮機１００に導いて４ＭＰａに加圧し、リサイクル圧縮機９８で３．６２ＭＰに加圧された残りをリサイクル圧縮機９９に導いて４ＭＰａに加圧する。この加圧された水素ガスは、高温膨張タービン９３の制動用圧縮機１００で４ＭＰａに加圧された水素ガスと合流して熱交換器７０、７１、７３に導いて約８０Ｋに冷却する。
【００５７】
水素精製液化装置の更に他の例を図６に示す。この水素精製液化装置１６ｂは、原料水素圧縮機６８、ボイルオフ圧縮機９０、リサイクル圧縮機９１、９２、水素精製機６９、高温膨張タービン９３、低温膨張タービン９４、液体窒素貯留槽１０２、液体水素貯留槽１０６、熱交換器７０、７４、７５、７６、７８、１０８、１０９、オルソ・パラ変換器８２、８３、８４、８６、１０３、１０５、１０７、超臨界膨張タービン１０４、ジュールトムソン膨張弁８７、８９、１１０、等で構成される。この水素精製液化装置１６ｂは、原料水素ラインの高圧エネルギーを回収するようにし、リサイクルラインを低温圧縮サイクルとしたものである。
【００５８】
水電解装置１０より０．８ＭＰａの原料水素３０が供給され、原料水素圧縮機６８で３ＭＰａまで加圧され、水素精製機６９に導かれて１００％純度で２３６Ｋの水素ガスとなる。この水素ガスは、熱交換器７０に導かれて約１６０Ｋに冷却され、液体窒素貯留槽１０２に導かれて窒素再液化装置１７からの液体窒素３１（０．１２ＭＰａで蒸発）と熱交換を行って約８０Ｋまで冷却され、同時にオルソ・パラ変換器１０３で連続的にオルソ・パラ変換が行われる。次いで、高温膨張タービン９３、低温膨張タービン９４で生成された冷媒で冷却された熱交換器７４、７５、７６に導かれて３１．２Ｋまで冷却され、同時にオルソ・パラ変換器８２、８３、８４で連続的にオルソ・パラ変換が行われる。
【００５９】
次いで、超臨界膨張タービン１０４に導かれて出口圧力１．３２ＭＰａ、出口温度２９．８Ｋとなり、リサイクル系の液体水素貯留槽１０６で分離されたフラッシュガスの冷媒で冷却される熱交換器７８に導かれて２０Ｋまで冷却され、同時にオルソ・パラ変換器８６で連続的にオルソ・パラ変換が行われる。
【００６０】
この水素ガスは、膨張弁８７で０．１２ＭＰａまで自由膨張され、ジュールトムソン効果により部分液化し、０．１２ＭＰａで９５％以上のパラ水素が液体水素貯留槽１０６の熱交換部に導かれる。この液体水素はさらに膨張弁８９で０．１０６ＭＰａまで自由膨張され９９．８％以上のパラ水素となって液体水素貯蔵槽１８に導かれ貯蔵される。
【００６１】
リサイクル系の液体水素貯留槽１０６で分離されたフラッシュガスは熱交換器７８、１０９、７６、７５、７４で冷熱を回収されて７８．９Ｋになり、低圧リサイクル圧縮機９１に導かれ出口圧力が０．３９ＭＰａ、出口温度８０．９Ｋとなる。この水素ガスはさらに熱交換器１０８で冷却されて７９．１Ｋとなって高圧リサイクル圧縮機９２に導かれ、出口圧力が２．０３ＭＰａ、出口温度が８０．９Ｋとなり、熱交換器１０８を経由して一部は高温膨張タービン９３に導かれる。
【００６２】
高温膨張タービン９３で０．３９ＭＰａまで断熱膨張して４９Ｋになった水素ガスが熱交換器７５，７４に導かれて熱交換を行い、７９．１Ｋになった水素ガスが高圧リサイクル圧縮機９２に還流する。熱交換器１０８を出て分岐した残りは熱交換器７４を経由して５２．３Ｋに冷却され、一部は低温膨張タービン９４に導かれる。
【００６３】
低温膨張タービン９４で０．３９ＭＰａまで断熱膨張し３０．２Ｋになった水素ガスは、熱交換器７６、７５、７４で冷熱を回収されて７９．１Ｋになって高圧リサイクル圧縮機９２に導かれる。
【００６４】
熱交換器７４を経由して５２．３Ｋに冷却され、低温膨張タービン９４に導かれなかった残りのリサイクルガスは、熱交換器７５，７６、１０９，７８で冷却された後、膨張弁１１０で０．１２ＭＰａまで等エントロピー膨張し、部分液化して液体水素貯留槽１０６に導かれる。
【００６５】
液体水素貯蔵槽１８で外気熱入力により蒸発したボイルオフガスの水素ガス３４は、熱交換器１０９，７６，７５，７４，７０で冷熱を回収されてボイルオフ圧縮機９０で０．８ＭＰａまで加圧され、２２６Ｋになった水素ガスが原料水素ガス３０に合流する。
【００６６】
図７は、窒素再液化装置１７の機器構成および流体のフローを示す。窒素再液化装置１７は、窒素ガス３２の圧縮機１１２、ボイルオフ窒素ガスおよび戻り窒素ガス１１１の圧縮機１１３、タービン圧縮機１１４、１２４、膨張タービン１１６、１２５、熱交換器１１５、１１７、１１８、１１９、１２１、気液分離器１２０、１２３、ジュールトムソン膨張弁１２２、１２６等で構成される。
【００６７】
低圧の戻り窒素ガス３２は、圧縮機１１２で０．５４ＭＰａに加圧され、気液分離器１２０のボイルオフ窒素ガスおよび中圧の戻り窒素ガス１１１と合流後、圧縮機１１３で２．４５ＭＰａに加圧される。この加圧された窒素ガスの一部は熱交換器１１５で約２３０Ｋまで冷却されたのち膨張タービン１１６に導かれ断熱膨張して低温冷媒となる。この低温冷媒は、気液分離器１２０で分離されたボイルオフガスで熱交換器１１９、１１８において冷熱回収されたガスと合流し、熱交換器１１７、１１５で冷熱を回収されて圧縮機１１３に循環する。
【００６８】
圧縮機１１３で２．４５ＭＰａに加圧された残りの窒素ガスは、膨張タービン１１６の制動用圧縮機１１４で３．７ＭＰａに加圧され、さらに膨張タービン１２５の制動用圧縮機１２４で５ＭＰａまで加圧される。そのあと、熱交換器１１５、１１７、１１８で約１７０Ｋまで冷却され、一部は膨張タービン１２５で０．５４ＭＰａまで断熱膨張して冷却し、残りは熱交換器１１９で冷却後にジュールトムソン膨張弁１２６で０．５４ＭＰまで自由膨張して気液二相流となり、気液分離器１２０に導かれる。
【００６９】
気液分離器１２０において気液に分離された液体窒素は熱交換器１２１で過冷却され、０．５５５ＭＰａ、８０．２５Ｋとなる。その一部は水素精製液化装置１６、１６ａ、１６ｂに液体窒素３１として供給され、残りはジュールトムソン膨張弁１２２で０．１ＭＰまで自由膨張させて冷却し、気液分離器１２３に導く。
【００７０】
気液分離器１２０において気液に分離された窒素ガスは熱交換器１１９、１１８で冷熱を回収され、膨張タービン１１６からの窒素ガスと合流して熱交換器１１７、１１５でさらに冷熱を回収されて圧縮機１１３に循環する。気液分離器１２３で分離された液体窒素は熱交換器１２１で冷熱を回収されて窒素ガスとなり、気液分離器１２３で分離された窒素ガスと合流して熱交換器１１９、１１８、１１７、１１５で冷熱を回収されて２１６Ｋとなって圧縮機１１２に循環する。
【００７１】
以上のような構成の本発明の第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは下記のように作用する。
夜間、週間、季節で電力需要の少ない時等には、水蒸気発電システム１の蒸気タービン３より蒸気を抽気し、排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９に供給して冷媒２３を生成し、熱交換器１１、１５に移送して水電解装置１０から移送されて来る酸素ガス２６、水素ガス３０を冷却して酸素液化装置１２、水素精製液化装置１６に送って液体酸素２７、液体水素３３に変換して液体酸素貯蔵槽１４、液体水素貯蔵槽１８に貯蔵する。排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９で熱交換を行った抽気蒸気は、低沸点媒体蒸気発生装置６の復液器に送られて復液して蒸気発生装置２に循環する。
【００７２】
貯蔵された液体水素３５は、水素自動車等への供給のために大消費地に輸送する。また、貯蔵された液体酸素２９は、化石燃料の炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼用に化石燃料発電所等の立地する場所に輸送する。また、排熱利用冷熱・発電システム５の低沸点媒体蒸気発生装置６の復液器を冷却するのに海洋深層水を利用して海洋深層水の冷熱エネルギーを電力エネルギーとして回収する。
【００７３】
上記のような構成によって上記のように作用する本発明の第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムによれば下記のような効果が得られる。すなわち、水蒸気発電システム１の蒸気タービン３より夜間に蒸気を抽気し、排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９に導いて冷媒を生成し、夜間の電力で水電解装置１０において電気分解をして得られる水素ガス３０、酸素ガス２６を冷却するのに用いることで水素精製液化装置１６、酸素液化装置１２における圧縮機動力を削減することが可能となり、低価格の液体水素３５を水素自動車用燃料として供給して炭酸ガス排出をゼロとすることができる。また化石燃料発電プラントに液体酸素２９を供給して炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼を行って燃焼で発生する排ガスの炭酸ガスを１００％回収して環境への炭酸ガス排出をゼロとする環境に優しい発電システムを構築することができる。同時に、水蒸気発電システム１の負荷平準化が得られる。
【００７４】
また、海洋深層水のような低温の海水が取水可能であるが電力需要の少ない琉球諸島や伊豆・小笠原諸島のような場所においても、海洋深層水の冷熱を回収する高効率の発電システムを設置して、発生した電力で水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを生成し、発電システムの排熱を利用する冷凍機で製造した冷媒で水素ガスと酸素ガスを冷却することで液体水素、液体酸素を低価格で大量に製造できるようになり、遠隔地に立地する不利を解消する液体水素、液体酸素製造基地とすることができる。同時に、発電システムの冷却に用いた海洋深層水を養殖に用いることで魚介類の成長を促進することができ、良質な動物性蛋白質の供給基地とすることができる。
【００７５】
つぎに本発明の第２の実施の形態を説明する。
この実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、図８に示すように、水蒸気発電システム１４７と、排熱利用冷熱・発電システム５と、炭酸ガス液化装置１４９および液体炭酸ガス貯蔵槽１５０と、酸素液化装置１２および液体酸素貯蔵槽１４と、水電解装置１０および純水製造装置１３と、水素精製液化装置１６および液体水素貯蔵槽１８と、窒素再液化装置１７と、淡水貯蔵槽１８９と、熱交換器１１、１５、１８７を備えている。
【００７６】
水蒸気発電システム１４７は、化石燃料・バイオマス燃料燃焼蒸気発生装置１４８と水蒸気タービン３と発電機４を備え、排熱利用冷熱・発電システム５は、吸収式冷凍機９と低沸点媒体蒸気発生装置６と低沸点媒体蒸気タービン７と発電機８を備えている。
【００７７】
この第２の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、水蒸気発電システム１４７に設けられた化石燃料・バイオマス燃料燃焼蒸気発生装置１４８において炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼を行い、その排ガス１５１中の炭酸ガスを１００％回収して液化して貯蔵するようにしたシステムである。
【００７８】
液体酸素貯蔵槽１４に貯蔵されている液体酸素１５４が、水蒸気発電システム１４７の化石燃料・バイオマス燃料燃焼蒸気発生装置１４８送られ、炭酸ガス中酸素燃焼に使われる。発生する排ガス１５１中の炭酸ガスが、熱交換器１８７を経由して炭酸ガス液化装置１４９に送られて液化され、液体炭酸ガス貯蔵槽１５０に貯蔵される。貯蔵された液体炭酸ガス１５３は、深海底等の最終処分地に輸送される。
【００７９】
熱交換器１８７の熱交換部には排熱利用冷熱・発電システム５の低沸点媒体蒸気発生装置６から低沸点媒体が導かれて排ガス１５１の排熱を回収する。その後で吸収式冷凍機９から冷媒が導かれて排ガス１５１と熱交換を行って排ガス１５１の除湿と冷却を行い、炭酸ガスを炭酸ガス液化装置１４９に導く。除湿で得られた淡水は淡水貯蔵槽１８９に貯蔵する。貯蔵された淡水は、純水製造装置に淡水２４として供給される。
【００８０】
上記のような構成の第２の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは前記第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムと同様な作用を行うほかに下記のように作用する。
【００８１】
水蒸気発電システム１４７の化石燃料・バイオマス燃料燃焼蒸気発生装置１４８に液体酸素貯蔵槽１４より液体酸素１５４が送られ、酸素ガスとしてボイラに導き、また液体炭酸ガス貯蔵槽１５０からも同様に液体炭酸ガスを導き、ガス化したものをボイラに導いて、化石燃料、木質系バイオマス、ゴミ等を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させ、炭酸ガスと水蒸気からなる排ガス１５１が発生する。
【００８２】
この排ガス１５１を熱交換器１８７に導き、冷却して水蒸気を除き、乾燥した炭酸ガスを炭酸ガス液化装置１４９に導いて深冷式液化法で液体炭酸ガス１５２に変換させて液体炭酸ガス貯蔵槽１５０に貯蔵する。液体炭酸ガス貯蔵槽１５０に貯蔵された液体炭酸ガス１５３は、最終処分法の一例として搬出されて深海にガスハイドレート状態で放出される。熱交換器１８７で排ガス１５１より除去された水蒸気は、淡水貯蔵槽１８９に貯蔵され、その一部が淡水２４として水電解装置１０に供給されて純水２５を製造する。
【００８３】
排熱利用冷熱・発電システム５の低沸点媒体蒸気発生装置６より低沸点媒体１５８を熱交換器１８７の熱交換部に循環させて排ガス１５１の熱回収を行い、引き続き吸収式冷凍機９より冷媒２３を循環させて排ガス１５１の除湿と冷却を行う。
【００８４】
この第２の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムと同様な効果を生じるほかに次のような効果を生じる。本実施の形態は化石燃料またはバイオマス燃料を燃料とする水蒸気発電システムを備えているが、化石燃料である石炭資源は地球上に豊富に存在するので、今後も発電用の燃料として使用されると考えられる。また、負荷追従を行うために燃焼を変動させることは熱慣性が大きいために追従性が悪いので、一定出力燃焼運転を行うために、電力需要の少ない時に水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを製造することは負荷平準化のために有効である。製造した酸素を液化して貯蔵し、石炭を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させることにより排気ガスが炭酸ガスと水蒸気で構成されるようになる。そのため容易に炭酸ガスを１００％回収することが可能となり、地球上に豊富に存在する石炭を火力発電所の燃焼に用いても自然界への炭酸ガス放出の無い石炭燃焼発電が行えるようになる。
【００８５】
つぎに本発明の第３の実施の形態を図９、図１０を参照して説明する。
この実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、図９に示すように、水蒸気発電システム１と、排熱利用冷熱・発電システム５と、酸素液化装置１２および液体酸素貯蔵槽１４と、水電解装置１６２および純水製造装置１３と、水素精製液化装置１６および液体水素貯蔵槽１８と、窒素再液化装置１７と、淡水貯蔵槽１８９と、熱交換器１６０、１６１を備えている。
【００８６】
水蒸気発電システム１は、蒸気発生装置２と水蒸気タービン３と発電機４を備え、排熱利用冷熱・発電システム５は、吸収式冷凍機９と低沸点媒体蒸気発生装置６と低沸点媒体蒸気タービン７と発電機８を備えている。
【００８７】
水蒸気発電システム１の水蒸気タービン３の抽気蒸気１６３が水電解装置１６２に導かれ、水電解装置１６２内の電解槽を循環する純水を高温・高圧にして電気分解で酸素ガス２６、水素ガス３０が生成される。酸素ガス２６、水素ガス３０は熱交換器１６０、１６１に導かれ、排熱利用冷熱・発電システム５の低沸点媒体蒸気発生装置６からの低沸点媒体１５８と、吸収式冷凍機９からの冷媒２３で順次熱回収と冷却をされてから酸素液化装置１２、水素精製液化装置１６に導かれて液体酸素、液体水素に変換される。
【００８８】
水電解装置１６２は、図１０に示すように、整流器３８と、電解槽３９と、気液分離器４０、４１と、循環ポンプ４７、４８と、純水貯蔵槽４９と、熱交換器１６５を備えている。第１の実施の形態の図２に示した水電解装置１０と比較すると、純水の水温を上昇させるために水素ガスと酸素ガスより熱回収をして利用する熱交換サイクルを備えていない。
【００８９】
水蒸気発電システム１のタービン３の抽気蒸気１６３が、水電解装置１６２の熱交換器１６５の熱交換部に導かれ、電解槽３９を循環する純水の温度を高温の一定温度にする。電解槽３９で電気分解により得られた酸素は気液分離器４１に導かれ、分離された酸素ガス２６は、熱交換器１６０に導かれる。電解槽３９で電気分解により得られた水素は気液分離器４０に導かれ、分離された水素ガス３０は、熱交換器１６１に導かれる。
【００９０】
この第３の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムと同様の作用を行うが、そのほかに下記のような作用を行う。すなわち、水蒸気発電システム１のタービン３の抽気蒸気１６３が、水電解装置１６２の熱交換機１６５の熱交換部に導かれ、電解槽３９を循環する純水温度を高温の所定の温度に加熱する。電解槽３９で電気分解により得られた酸素は気液分離器４１に導かれ、分離された酸素ガス２６は、熱交換器１６０に導かれる。また、水電解槽３９で電気分解により得られた水素は気液分離器４０に導かれ、分離された水素ガス３０は、熱交換器１６１に導かれる。
【００９１】
酸素ガス２６と水素ガス３０は、熱交換器１６０、１６１において、排熱利用冷熱・発電システム５の低沸点媒体蒸気発生装置６からの低沸点媒体１５８および吸収式冷凍機９からの冷媒２３で順次熱回収と冷却をされてから酸素液化装置１２、水素精製液化装置１６に導かれて液体酸素、液体水素に変換される。
【００９２】
この第３の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムと同様の効果を生じるが、そのほかに下記のような効果を生じる。すなわち、水蒸気発電システム１のタービン３の抽気蒸気で水電解装置１６２の循環純水を高温に加熱し、高温高圧の水素ガスと酸素ガスが生成される。水素ガスと酸素ガスの高温の熱は回収して排熱利用冷熱・発電システムにおける発電に利用され、冷却された酸素ガスと水素ガスが、酸素液化装置１２、水素精製液化装置１６に供給される。そのため、原料の水素ガスおよび酸素ガスを高圧にする動力が不用であり、液体酸素、液体水素製造の熱効率が向上する。
【００９３】
つぎに本発明の第４の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムを図１１〜図１５を参照して説明する。本実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、図１１に示すように、水蒸気発電システム１と、排熱利用冷熱・発電システム５と、水電解装置１０と、酸素液化装置１２７と、水素精製液化装置１２９と、窒素再液化装置１２８と、熱交換器１１、１５、および液体酸素貯蔵槽１４、液体水素貯蔵槽１８、純水製造装置１３を備えている。
【００９４】
この第４の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、酸素液化装置１２７、水素精製液化装置１２９および窒素再液化装置１２８において圧縮機で発生する熱エネルギーを排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９からの冷媒で熱カスケード的に冷却するようにしたシステムである。
【００９５】
排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９で生成される冷媒２３（約２２３Ｋ）を酸素液化装置１２７、水素精製液化装置１２９および窒素再液化装置１２８に導き、酸素液化装置１２７、水素精製液化装置１２９および窒素再液化装置１２８内の圧縮機で発生する熱エネルギーを回収して排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９に循環（約２２６Ｋ）する。
【００９６】
酸素液化装置１２７は、図１２に示すように、ボイルオフ酸素ガス圧縮機５３、５４、タービン圧縮機５５、６７、膨張タービン５６、６６、熱交換器５７、５８、５９、６０、６３、１３０、１３１、１３２、１３３、気液分離器６２、６４、ジュールトムソン膨張弁６１、６５等で構成される。
【００９７】
圧縮機５３で加圧された酸素ガス２６が熱交換器１３１に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されて約２２６Ｋになる。この酸素ガスは、気液分離器６２で分離され熱交換器６０、５９、５８、５７で熱交換を行った酸素ガスと合流して圧縮機５４に導かれ、再度加圧されて熱交換器１３０に導かれる。熱交換器１３０において低沸点媒体冷媒２３で冷却されて約２２６Ｋになり、分岐されて一部が熱交換器５７に導かれる。分岐された残部は圧縮機５５に導かれて加圧されて熱交換器１３２に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されてから圧縮機６７に導かれ、加圧されて熱交換器１３３に導かれ、低沸点媒体２３で冷却されて約２２６Ｋになる。
【００９８】
窒素再液化装置１２８は、図１３に示すように、戻り窒素ガス３２の圧縮機１１２、ボイルオフ窒素ガスおよび戻り窒素ガス１１１の圧縮機１１３、タービン圧縮機１１４、１２４、膨張タービン１１６、１２５、熱交換器１１５、１１７、１１８、１１９、１２１、１３５、１３７、気液分離器１２０、１２３、ジュールトムソン膨張弁１２２、１２６等で構成される。
【００９９】
圧縮機１１２で加圧された窒素ガス３２が、窒素ガス１１１および気液分離器１２０で分離され熱交換器１１９、１１８、１１７、１１５で熱交換を行った窒素ガスと合流して圧縮機１１３に導かれ、再度加圧され分岐されて一部が熱交換器１１５に導かれる。
【０１００】
分岐された残部は圧縮機１１４に導かれて加圧され熱交換器１３５に導かれ、低沸点媒体２３で冷却されてから圧縮機１２４に導かれる。加圧された窒素ガスは熱交換器１３７に導かれ、低沸点媒体２３でさらに冷却される。
【０１０１】
水素精製液化装置１２９は、図１４に示すように、原料水素圧縮機６８、ボイルオフ圧縮機９０、リサイクル圧縮機９１、９２、水素精製機６９、高温膨張タービン９３、低温膨張タービン９４、熱交換器７２〜７８、１３９〜１４３、オルソ・パラ変換器８０、８２〜８７、気液分離器８８、９５、ジュールトムソン膨張弁８７、８９、９６で構成される。
【０１０２】
ボイルオフ圧縮機９０で加圧された水素ガスが、原料水素ガス３０と合流して原料水素圧縮機６８に導かれて加圧され、水素精製機６９を経由して熱交換器１４０に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されてから熱交換器１４１に導かれる。
【０１０３】
圧縮機９１で加圧されたリサイクル水素ガスは熱交換器１３９に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されてから、熱交換器１４３で熱交換を行ったリサイクル水素ガスと合流して圧縮機９２に導かれ、加圧された水素ガスは熱交換器１４２に導かれ、低沸点媒体２３で冷却されてから熱交換器１４３に導かれる。
【０１０４】
水素精製液化装置の他の例を図１５に示す。この水素精製液化装置１３４は、原料水素圧縮機６８、リサイクル圧縮機９１、９２、水素精製機６９、高温膨張タービン９３、低温膨張タービン９４、液体窒素貯留槽１０２、液体水素貯留槽１０６、熱交換器７０、７４、７５、７６、７８、１０８、１０９、１４４、オルソ・パラ変換器８２、８３、８４、８６、１０３、１０５、１０７、超臨界膨張タービン１０４、ジュールトムソン膨張弁８７、８９、１１０、等で構成される。
【０１０５】
液体水素貯蔵槽１８のオフガス３４が熱交換器７０で熱交換を行ったのちに熱交換器１４４に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されてから原料水素ガス３０と合流して原料水素圧縮機６８に導かれて加圧され、水素精製機６９を経由して熱交換器１４４に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されてから熱交換器７０に導かれる。
【０１０６】
圧縮機９１で加圧されたリサイクル水素ガスは、熱交換器１０８に導かれて熱交換を行い、熱交換器７４で熱交換を行ったリサイクル水素ガスと合流して圧縮機９２に導かれ、圧縮機９２で加圧された水素ガスは、熱交換器１０８に導かれる。
【０１０７】
この第４の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムと同様に作用するが、そのほかに下記のような作用を行う。すなわち、排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９で生成される冷媒２３を酸素液化装置１２７、水素精製液化装置１２９と窒素再液化装置１２８に導き、これらの装置において圧縮機で加圧した酸素ガス、水素ガス、窒素ガスを冷媒でカスケード的に冷却してシステムの高温側の熱エネルギー回収を行って排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９に循環する。
【０１０８】
この第４の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは第１の実施の形態と同様の効果を生じるが、そのほかに次のような効果を生じる。すなわち、排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９で生成される冷媒で酸素液化装置１２７、水素精製液化装置１２９と窒素再液化装置１２８の圧縮機で酸素ガス、水素ガス、窒素ガスを加圧した時に発生する熱を回収し約２２６Ｋに冷却した後で液体酸素、液体水素、液体窒素によってカスケード的に冷却することでシステム内での液体酸素、液体水素、液体窒素の使用量が減り、製品の液体水素、液体酸素製造コストを大幅に低減することができる。
【０１０９】
つぎに本発明の第５の実施の形態を図１６〜図１９を参照して説明する。
本実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、図１６に示すように、水蒸気発電システム１と、排熱利用冷熱・発電システム５と、水電解装置１０と、酸素液化装置１６７と、水素精製液化装置１６６と、窒素再液化装置１６８と、熱交換器１１、１５、および液体酸素貯蔵槽１４、液体水素貯蔵槽１８、純水製造装置１３を備えている。
【０１１０】
この実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、酸素液化装置１６７、水素精製液化装置１６６、窒素再液化装置１６８で液体水素、液体酸素、液体窒素をポンプで加圧したものを冷媒として利用するようにし、構成機器数を低減したシステムである。
【０１１１】
水素精製液化装置１６６は、図１７に示すように、原料水素圧縮機６８、ボイルオフ圧縮機９０、水素精製機６９、熱交換器７１〜７８、オルソ・パラ変換器７９〜８６、気液分離器８８、ジュールトムソン膨張弁８７、８９、加圧ポンプ１６９等で構成される。
【０１１２】
この水素精製液化装置１６６は、図４に示した水素精製液化装置１６におけるリサイクル圧縮機９１、９２の代わりに気液分離器８８で分離された液体水素を分岐して加圧ポンプ１９で加圧して冷却に利用するようにした装置である。
【０１１３】
気液分離器８８で分離された液体水素を分岐して加圧ポンプ１６９で５ＭＰａまで加圧して熱交換器７８、７７、７６、７５、７４、７３、７１に導いて熱交換を行い、２３３Ｋになった水素ガスを水素精製機１６９に導く。
【０１１４】
酸素液化装置１６７は、図１８に示すように、ボイルオフ酸素ガス圧縮機５３、５４、タービン圧縮機５５、６７、膨張タービン５６、６６、熱交換器５７、５８、５９、６０、６３、気液分離器６２、６４、ジュールトムソン膨張弁６１、６５、加圧ポンプ１７０等で構成される。
【０１１５】
この酸素液化装置１６７は、図３に示した酸素液化装置１２の気液分離器６２から取り出す液体酸素を熱交換器６３で冷却するラインで、気液分離器６４で分離された液体酸素を加圧ポンプ１７０で加圧後に冷却に使用するように変更したものである。
【０１１６】
気液分離器６４で分離された液体酸素が加圧ポンプ１７０で５ＭＰａまで加圧されて熱交換器６０、５９、５８、５７で熱交換を行い、圧縮機６７で加圧された酸素ガスと合流して熱交換器５７に流入する。
【０１１７】
窒素再液化装置１６８は、図１９に示すように、窒素ガス３２の圧縮機１１２、ボイルオフ窒素ガスおよび戻り窒素ガス１１１の圧縮機１１３、タービン圧縮機１１４、１２４、膨張タービン１１６、１２５、熱交換器１１５、１１７、１１８、１１９、１２１、気液分離器１２０、１２３、ジュールトムソン膨張弁１２２、１２６、加圧ポンプ１７１等で構成される。
【０１１８】
この窒素再液化装置１６８は、図７に示した窒素再液化装置１７の気液分離器１２０から取り出された液体窒素を熱交換器１２１で冷却するラインで、気液分離器１２３で分離された液体窒素をポンプ１７１で加圧後に冷却に使用するように変更したものである。
【０１１９】
気液分離器１２３で分離された液体窒素を加圧ポンプ１７１で５ＭＰａに加圧して熱交換器１２１、１１９、１１８、１１７、１１５で熱交換を行い、圧縮機１２４で５ＭＰａに加圧された窒素ガスと合流させて再び熱交換器１１５に流入させる。
【０１２０】
この第５の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムと同様に作用するが、そのほかに下記のように作用する。
【０１２１】
すなわち、酸素液化装置１６７、水素精製液化装置１６６、窒素再液化装置１６８で冷媒として用いる液体水素、液体酸素、液体窒素をポンプ１６９、１７０、１７１で５ＭＰａ程度まで加圧してから熱交換器６３等に導いて冷熱を供給し、熱交換後に水素ガス、酸素ガス、窒素ガスとなった冷媒を再液化するので、圧縮機に導いて加圧する必要がない。
【０１２２】
この第５の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムと同様の効果を生じるが、そのほかに下記の効果を生じる。すなわち、酸素液化装置、水素精製液化装置、窒素再液化装置で液体水素、液体酸素、液体窒素を分岐してポンプで５ＭＰａ程度まで加圧したものを冷媒として熱交換器に導いて冷熱を供給し、熱交換後に再液化するために水素ガス、酸素ガス、窒素ガスを圧縮機に導いて加圧する必要が無くなるために大幅に必要動力を削減することができ、製品の液体水素、液体酸素の製造コストを低減することができる。
【０１２３】
つぎに本発明の第６の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムを図２０〜図２３を参照して説明する。本実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、図２０に示すように、水蒸気発電システム１と、排熱利用冷熱・発電システム５と、水電解装置１０と、酸素液化装置１７３と、水素精製液化装置１７２と、窒素再液化装置１７４と、熱交換器１１、１５、および液体酸素貯蔵槽１４、液体水素貯蔵槽１８、純水製造装置１３を備えている。
【０１２４】
この第６の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは、酸素液化装置１７３、水素精製液化装置１７２、窒素再液化装置１７４において圧縮機で発生する熱エネルギーを排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９からの冷媒２３で低温熱カスケード的に冷却するようにしたシステムである。
【０１２５】
水素精製液化装置１７２は、図２１に示すように、原料水素圧縮機６８、ボイルオフ圧縮機９０、水素精製機６９、熱交換器７１〜７８、１７５、オルソ・パラ変換器７９〜８６、気液分離器８８、ジュールトムソン膨張弁８７、８９、加圧ポンプ１６９等で構成される。
【０１２６】
この水素精製液化装置１７２は、水素ガスを圧縮機６８で圧縮したときに発生する高温の熱エネルギーを排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９からの冷媒２３で低温熱カスケード式に冷却するようにしたものである。
【０１２７】
ボイルオフ圧縮機９０で加圧されたボイルオフ水素ガスが、原料水素ガス３０と合流して原料水素圧縮機６８に導かれて加圧され、水素精製機６９を経由して熱交換器１７５に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されてから熱交換器７１に導かれる。
【０１２８】
酸素液化装置１７３は、図２２に示すように、ボイルオフ酸素ガス圧縮機５３、５４、タービン圧縮機５５、６７、膨張タービン５６、６６、熱交換器５７、５８、５９、６０、６３、１７７〜１８０、気液分離器６２、６４、ジュールトムソン膨張弁６１、６５および加圧ポンプ１７０等で構成される。
【０１２９】
この酸素液化装置１７３は、酸素ガスを圧縮機５５、６７で圧縮したときに発生する高温の熱エネルギーを排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９からの冷媒２３で低温熱カスケード式に冷却するようにしたものである。
【０１３０】
圧縮機５３で加圧された酸素ガスが熱交換器１７８に導かれ低沸点媒体冷媒２３で冷却される。この酸素ガスは、気液分離器６２で分離され熱交換器６０、５９、５８、５７で熱交換を行った酸素ガスおよび原料酸素ガス２６と合流して圧縮機５４に導かれ、再度加圧された酸素ガスは熱交換器１７７に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されてから分岐されて熱交換器５７および圧縮機５５に導かれる。
【０１３１】
圧縮機５５に導かれて加圧された酸素ガスは熱交換器１７９に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されてから圧縮機６７に導かれる。圧縮機６７で加圧された酸素ガスは熱交換器１８０に導かれ、低沸点媒体２３で冷却される。
【０１３２】
窒素再液化装置１７４は、図２３に示すように、窒素ガス３２およびボイルオフ窒素ガスの圧縮機１１２、１１３、タービン圧縮機１１４、１２４、膨張タービン１１６、１２５、熱交換器１１５、１１７、１１８、１１９、１２１、１８２、１８４、気液分離器１２０、１２３、ジュールトムソン膨張弁１２２、１２６、加圧ポンプ１７１等で構成される。
【０１３３】
この窒素再液化装置１７４は、窒素ガスを圧縮機１１４、１２４で圧縮したときに発生する高温の熱エネルギーを排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９からの冷媒２３で低温熱カスケード式に冷却するようにしたものである。
【０１３４】
圧縮機１１２で加圧された窒素ガスが、窒素ガス１１１および気液分離器１２０で分離され熱交換器１１９、１１８、１１７、１１５で熱交換を行った窒素ガスと合流して圧縮機１１３に導かれ、圧縮機１１３で再度加圧された窒素ガスは、分岐されて熱交換器１１５および圧縮機１１４に導かれる。
【０１３５】
圧縮機１１４に導かれて加圧された窒素ガスは熱交換器１８２に導かれ、低沸点媒体冷媒２３で冷却されてから圧縮機１２４に導かれ、加圧された窒素ガスは熱交換器１８４に導かれ、低沸点媒体２３で冷却される。
【０１３６】
この第６の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは第５の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムと同様な作用を行うが、そのほかに下記のような作用を行う。すなわち、酸素液化装置１７３、水素精製液化装置１７２および窒素再液化装置１７４において酸素ガス、水素ガス、窒素ガスを圧縮機で加圧した時に発生する熱エネルギーを排熱利用冷熱・発電システム５の吸収式冷凍機９からの冷媒２３で冷却した後に、液体酸素、液体窒素、液体水素を冷媒とする低温熱カスケード的な冷却を行って液体酸素、液体水素、液体窒素に変換する。
【０１３７】
この第６の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムは第５の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムと同様の効果を生じるが、そのほかに下記のような効果を生じる。すなわち、酸素液化装置、水素精製液化装置および窒素再液化装置において酸素ガス、水素ガス、窒素ガスを圧縮機で加圧した時に発生する熱エネルギーを排熱利用冷熱・発電システムの吸収式冷凍機からの冷媒２３で冷却した後に、液体酸素、液体窒素、液体水素を冷媒とする低温熱カスケード的な冷却を行って液体酸素、液体水素、液体窒素に変換するので、液化のために冷媒として使用する液体酸素、液体窒素、液体水素の量を減らすことができ、製品の液体酸素、液体水素の製造コストを低減することができる。
【０１３８】
【発明の効果】
本発明によれば、水蒸気発電プラントの排熱を利用して炭酸ガスの排出の無い燃料である液体水素および助燃剤である液体酸素を経済的に製造し供給することのできる排熱利用水素・酸素システムおよび液体水素の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムの装置構成および流体の流れを示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける水電解装置および純水製造装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける酸素液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける水素精製液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける水素精製液化装置の他の例を示す図。
【図６】本発明の第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける水素精製液化装置のさらに他の例を示す図。
【図７】本発明の第１の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける窒素再液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図８】本発明の第２の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムの装置構成および流体の流れを示す図。
【図９】本発明の第３の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムの装置構成および流体の流れを示す図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける水電解装置および純水製造装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムの装置構成および流体の流れを示す図。
【図１２】本発明の第４の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける酸素液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図１３】本発明の第４の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける窒素再液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図１４】本発明の第４の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける水素精製液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図１５】本発明の第４の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける水素精製液化装置の他の例を示す図。
【図１６】本発明の第５の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムの装置構成および流体の流れを示す図。
【図１７】本発明の第５の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける水素精製液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図１８】本発明の第５の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける酸素液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図１９】本発明の第５の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける窒素再液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図２０】本発明の第６の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムの装置構成および流体の流れを示す図。
【図２１】本発明の第６の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける水素精製液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図２２】本発明の第６の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける酸素液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【図２３】本発明の第６の実施の形態の排熱利用水素・酸素システムにおける窒素再液化装置の機器構成および流体の流れを示す図。
【符号の説明】
１…水蒸気発電システム、２…蒸気発生装置、３…水蒸気タービン、４，８…発電機、５…排熱利用冷熱・発電システム、６…低沸点媒体蒸気発生装置、７…低沸点媒体蒸気タービン、９…吸収式冷凍機、１０…水電解装置、１１，１５…熱交換器、１２…酸素液化装置、１３…純水製造装置、１４…液体酸素貯蔵槽、１６，１６ａ，１６ｂ…水素精製液化装置、１７…窒素再液化装置、１８…液体水素貯蔵槽、１９…抽気蒸気、２０…排気蒸気、２１…冷却水、２２…復水、２３…冷媒、２４…淡水、２５…純水、２６，２８…酸素ガス、２７，２９…液体酸素、３０，３４…水素ガス、３１…液体窒素、３２…窒素ガス、３３，３５…液体水素、３６…電力、３７…加熱媒体、３８…整流器、３９…電解槽、４０，４１…気液分離器、４２，４３，４４，４５…熱交換器、４６，４７，４８…循環ポンプ、４９…純水貯蔵槽、５０…純水製造ユニット、５１…加圧ポンプ、５２…受水槽、５３，５４…ボイルオフ酸素ガス圧縮機、５５，６７…タービン圧縮機、５６，６６…膨張タービン、５７，５８，５９，６０，６３…熱交換器、６１，６５…ジュールトムソン膨張弁、６２，６４…気液分離器、６３…熱交換器、６４…気液分離器、６８…圧縮機、６９…水素精製機、７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８…熱交換器、７９，８０，８１，８２，８３，８４，８５，８６，…オルソ・パラ変換器、８７，８９，９６…膨張弁、８８，９５…気液分離器、９０，９１，９２…圧縮機、９３，９４…膨張タービン、９７，９８，９９，１００，１０１…圧縮機、１０２…液体窒素貯留槽、１０３，１０５，１０７…オルソ・パラ変換器、１０４…膨張タービン、１０６…液体水素貯留槽、１０８，１０９…熱交換器、１１０…膨張弁、１１１…窒素ガス、１１２，１１３，１１４，１２４…圧縮機、１１５，１１７，１１８，１１９，１２１…熱交換器、１１６，１２５…膨張タービン、１２０，１２３…気液分離器、１２２，１２６…膨張弁、１２７…酸素液化装置、１２８…窒素再液化装置、１２９，１３４…水素精製液化装置、１３０，１３１，１３２，１３３，１３５，１３７，１３９，１４０，１４１，１４２，１４３，１４４…熱交換器、１４７…水蒸気発電システム、１４８…化石燃料・バイオマス燃料燃焼蒸気発生装置、１４９…炭酸ガス液化装置、１５０…液体炭酸ガス貯蔵槽、１５１…排ガス、１５２…液体炭酸ガス、１５３…液体炭酸ガス、１５４…液体酸素、１５８…低沸点媒体、１６０，１６１，１６５…熱交換器、１６２…水電解装置、１６３…抽気蒸気、１６６…水素精製液化装置、１６７…酸素液化装置、１６８…窒素再液化装置、１６９，１７０，１７１…加圧ポンプ、１７２…水素精製液化装置、１７３…酸素液化装置、１７４…窒素再液化装置、１７５，１７７，１７８，１７９…熱交換器、１８０，１８２，１８４…熱交換器、１８５…減圧弁、１８７…熱交換器、１８９…淡水貯蔵槽。

Claims (11)

1. 水蒸気および電力を発生する水蒸気発電システムと、水より沸点の低い媒体を作動媒体とし前記水蒸気発電システムからの抽気または排気を用いて電力と冷媒を生成する排熱利用冷熱・発電システムと、前記水蒸気発電システムまたは前記排熱利用冷熱・発電システムから電力を供給されて純水を電気分解する水電解装置と、前記排熱利用冷熱・発電システムから冷媒を供給されて前記水電解装置において生成された水素ガスおよび酸素ガスを冷却し液化する水素精製液化装置および酸素液化装置と、前記水素精製液化装置に液体窒素を循環させて水素ガスを冷却する窒素再液化装置と、前記液化された液体水素および液体酸素を貯蔵する液体水素貯蔵槽および液体酸素貯蔵槽と、前記水電解装置に純水を供給する純水製造装置とを備えたことを特徴とする排熱利用水素・酸素システム。
2. 前記水蒸気発電システムに設けられ前記液体酸素貯蔵槽より酸素を供給されて化石燃料またはバイオマス燃料または廃棄物燃料を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させる蒸気発生装置と、前記燃焼で発生する炭酸ガスを液化する炭酸ガス液化装置と、前記液化された液体炭酸ガスを貯蔵する液体炭酸ガス貯蔵槽とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用水素・酸素システム。
3. 前記水蒸気発電システムに設けられたタービンの抽気蒸気を導いて前記電気分解する純水を加熱する熱交換器と、前記排熱利用冷熱・発電システムから冷媒を導いて前記電気分解で発生した水素ガスと酸素ガスをそれぞれ冷却する熱交換器とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用水素・酸素システム。
4. 前記酸素液化装置は、前記酸素液化装置に設けられた圧縮機で酸素ガスを圧縮した時に発生する圧縮熱を前記排熱利用冷熱・発電システムで生成した冷媒で最初に熱回収を行う熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用水素・酸素システム。
5. 前記窒素再液化装置は、前記窒素再液化装置に設けられた圧縮機で窒素ガスを圧縮した時に発生する圧縮熱を前記排熱利用冷熱・発電システムで生成した冷媒で最初に熱回収を行う熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用水素・酸素システム。
6. 前記水素精製液化装置は、前記水素精製液化装置に設けられた圧縮機で水素ガスを圧縮した時に発生する圧縮熱を前記排熱利用冷熱・発電システムで生成した冷媒で最初に熱回収を行う熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用水素・酸素システム。
7. 前記水素精製液化装置は、生成した液体水素を分岐し加圧して水素ガスを冷却する極低温冷媒供給サイクルを備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用水素・酸素システム。
8. 前記酸素液化装置は、生成した液体酸素の一部を加圧して酸素ガスを液化するための極低温冷媒とすることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用水素・酸素システム。
9. 前記窒素再液化装置は、生成した液体窒素の一部を加圧して窒素ガスを液化するための極低温冷媒とすることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用水素・酸素システム。
10. 前記排熱利用冷熱・発電システムは、復液器を共用する低沸点媒体蒸気発生装置と吸収式冷凍機を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用水素・酸素システム。
11. 蒸気発生装置、水蒸気タービンおよび発電機を備えた水蒸気発電システムで蒸気生成と発電を行い、前記水蒸気発電システムのタービン抽気蒸気または排気蒸気を吸収式冷凍機、低沸点媒体蒸気発生装置、低沸点媒体蒸気タービンおよび発電機を備えた排熱利用冷熱・発電システムに導いて冷媒生成と発電を行い、前記水蒸気発電システムで発電された電力または前記排熱利用冷熱・発電システムで発電された電力を水電解装置に導いて水を電気分解して水素ガスを生成し、前記水素ガスを前記排熱利用冷熱・発電システムで生成された冷媒によって冷却し、液体窒素で冷却し、加圧し、断熱膨張させて液体水素にすることを特徴とする液体水素の製造方法。

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