JP2008287940A - 発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を低下させることなくＣＯ₂を有効に利用し、しかも、設備を大幅に簡素化してＣＯ₂の分離回収を容易に行なう。
【解決手段】膨張タービンを用いることなくＭＣＦＣ２と蒸気タービン７を用いて高圧のシステムを構築し、更に、圧力が維持されたＣＯ₂を高圧の液体ＣＯ₂として回収すると共にカソードガスとして循環させて閉サイクルを構成し、膨張タービンを無くした簡素な設備とし、石炭ガスがガスを用いたＭＣＦＣ２を備えた発電設備であっても、発電効率を低下させることなくＣＯ₂を有効に利用し、しかも、膨張タービンを省略して設備を大幅に簡素化し、ＣＯ₂の分離回収を高圧の状態で容易に行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素系のガス化ガスと圧縮されたＯ₂を含むガスが供給されて発電を行う発電装置を備えた発電設備に関する。

特に、本発明は、炭化水素系のガス化ガスと圧縮されたＯ₂を含むガスが供給されて、水素と酸素の電気化学反応により電力を得る燃料電池を備えた発電設備に関する。

水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、天然ガス等の燃料から得られた水素（Ｈ₂）をアノードに供給すると共に、空気（Ｏ₂）と二酸化炭素（ＣＯ₂）をカソードに供給することで、Ｈ₂とＯ₂の電気化学反応により発電が行われる。ＭＣＦＣは高温で作動するため、高効率でＣＯ₂を回収分離でき、環境への影響が少ない等の特徴を有している。このため、近年は、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目されてきている。

水素と酸素との電気化学反応により電力を得るＭＣＦＣでは、燃料としての水素を得るために、天然ガス等の燃料ガスを改質して水素ガスを得ることが考えられる。一方、供給安定性が高く、発熱量あたりの価格が低廉である石炭をガス化して燃料電池の燃料とする技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。石炭は世界の広い地域に存在し、可採埋蔵量が多く、価格が安定しているため、エネルギーの確保、エネルギー価格の安定に重要な役割を果たしている。

しかし、石炭は発熱量あたりのＣＯ₂の排出量が天然ガスより多いため、ＣＯ₂の削減を考慮した発電設備を構築する必要があるのが現状であり、ＭＣＦＣの性能を維持しつつＣＯ₂の削減を考慮した石炭ガス化ガスを用いた発電設備の実現が求められているのが実情である。また一方で、ＣＯ₂を分離回収し、地中や海底に隔離する技術が種々研究されてきている。このため、ＣＯ₂の削減に留まらず、ＣＯ₂の分離回収の容易性も考慮した発電設備が求められているのが実情である。

石炭ガス化ガスを用いた発電設備を構築するに際し、ＭＣＦＣの性能を維持した状態で、ＣＯ₂の削減、ＣＯ₂の分離回収の容易性を考慮した場合、発電設備全体の効率を低下させることは避けなければならない。このため、石炭ガス化ガスを用いた発電設備であっても、発電効率を低下させることなくＣＯ₂を有効に利用し、しかも、設備の簡素化を考慮してＣＯ₂の分離回収の容易性を両立できる発電設備を構築することが求められている。

このことは、天然ガスの改質燃料、バイオマス等の固体燃料やガソリン、軽油等の炭化水素系の燃料に由来するガス化ガスにより発電を行なう発電設備であっても、ＣＯ₂の削減、ＣＯ₂の分離回収の容易性が同じように求められている。

特開２０００−４８８４４号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、炭化水素系のガス化ガスを用いた発電装置を備えた発電設備であっても、発電効率を低下させることなくＣＯ₂を有効に利用し、しかも、設備を簡素化してＣＯ₂の分離回収を容易に行なうことができる発電設備を提供することを目的とする。

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、炭化水素系のガス化ガスを用いた燃料電池を備えた発電設備であっても、発電効率を低下させることなくＣＯ₂を有効に利用し、しかも、設備を簡素化してＣＯ₂の分離回収を容易に行なうことができる発電設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の発電設備は、炭化水素系のガス化ガスと圧縮されたＯ₂を含むガスが供給され、膨張を伴わずに発電を行ない、仕事を終えた排気ガスとしてのＣＯ₂の圧力が維持されて回収される発電装置を備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、Ｏ₂を含むガスを供給して発電を行い、発電装置からの排気ガスであるＣＯ₂の圧力が維持されて回収されるので、炭化水素系のガス化ガスを用いた発電装置を備えた発電設備において、ＣＯ₂を有効に利用し、膨張タービン等の発電機器を用いることなく発電効率を維持し、設備を大幅に簡素化した状態で発電効率の低下を抑制し、ＣＯ₂の分離回収が容易に行えるようになる。

また、上記目的を達成するための請求項２に係る本発明の発電設備は、炭化水素系のガス化ガスがアノードガスとしてアノードに供給され、圧縮されたＯ₂を含むガスがカソードガスとしてカソードに供給され、カソードガス及びアノードガスの電気化学反応により発電を行ない、排気ガスとしてのＣＯ₂の圧力が維持されて回収される燃料電池を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、Ｏ₂を含むガスを供給して発電を行い、燃料電池からの排気ガスであるＣＯ₂の圧力が維持されて回収されるので、炭化水素系のガス化ガスを用いた燃料電池を備えた発電設備において、ＣＯ₂を有効に利用し、膨張タービン等の発電機器を用いることなく発電効率を維持し、設備を大幅に簡素化した状態で発電効率の低下を抑制し、ＣＯ₂の分離回収が容易に行えるようになる。

つまり、ＣＯ₂の圧力が維持されて回収されることで、例えば、ＣＯ₂を更に圧縮して回収する際の圧縮動力を削減して回収のための動力損失を最小限に抑制することができる。また、ＣＯ₂を圧縮して冷却することで、高圧の液体ＣＯ₂としてＣＯ₂を回収することができ、地中に隔離するための動力を含む状態でのＣＯ₂の回収が容易になる。従って、例えば、石炭ガス化ガスを用いた発電の高効率化とＣＯ₂の回収の容易性を両立させた発電設備の構築が可能になり、しかも、膨張タービン等の発電機器をなくして設備を大幅に簡素化した状態で発電効率の低下を抑制した発電設備の構築が可能になる。

そして、請求項３に係る本発明の発電設備は、請求項１もしくは請求項２に記載の発電設備において、炭化水素系のガス化ガスは、Ｏ₂吹きのガス化設備により燃料をガス化したガス化ガスであることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、Ｏ₂吹きのガス化設備でガス化されたガス化ガスを用いて発電を行なうことができる。

また、請求項４に係る本発明の発電設備は、請求項３に記載の発電設備において、ガス化設備は、石炭を燃焼させることでガス化ガスを得ることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、石炭ガス化ガスを用いて発電を行なうことができる。

また、請求項５に係る本発明の発電設備は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発電設備において、圧力が維持されて回収されたＣＯ₂は、ＣＯ₂圧縮機により更に圧縮されて回収されることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、少ない圧縮動力のＣＯ₂圧縮機を用いてＣＯ₂を圧縮回収することができる。

また、請求項６に係る本発明の発電設備は、請求項５に記載の発電設備において、ＣＯ₂圧縮機により更に圧縮されたＣＯ₂は、発電装置に回収されることを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、圧縮されたＣＯ₂が発電装置に回収されることで、閉サイクルの発電設備を構築することができる。

また、請求項７に係る本発明の発電設備は、請求項５に記載の発電設備において、ＣＯ₂圧縮機により更に圧縮されたＣＯ₂は、冷却されて液体ＣＯ₂として回収されることを特徴とする。

請求項７に係る本発明では、排気ガスとしてのＣＯ₂を高圧の液体ＣＯ₂として回収することができ、例えば、隔離のための動力を要することなく地中や海底へのＣＯ₂の隔離が容易になり、発電設備を構築するための立地に対する自由度が向上する。

また、請求項８に係る本発明の発電設備は、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の発電設備において、排気ガスとしてのＣＯ₂の熱エネルギーを回収する熱回収手段を備え、熱回収手段で発生した蒸気により動力を得る蒸気タービンを備えたことを特徴とする。

請求項８に係る本発明では、排気ガスとしてのＣＯ₂の熱エネルギーを有効に回収して蒸気タービンによりエネルギーを得ることができる。

また、請求項９に係る本発明の発電設備は、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の発電設備において、圧縮されたＯ₂は、深冷分離方式により得られた純Ｏ₂であることを特徴とする。

請求項９に係る本発明では、加圧状態のＯ₂を容易に得ることができ、Ｏ₂を加圧する設備を備える必要がない発電設備とすることができる。

上記目的を達成するための請求項１０に係る本発明の発電設備は、Ｏ₂を吹き込むことで石炭を燃焼してガス化ガスを得る石炭ガス化炉と、石炭ガス化炉で得られたガス化ガスがアノードガスとしてアノードに供給されると共に純Ｏ₂及びＣＯ₂ガスを含むカソードガスがカソードに供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、カソードのカソード排気及びアノードのアノード排気を燃焼する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスの圧力を維持した状態で熱回収を行って蒸気を発生させ、熱回収された排気を冷却して水及びＣＯ₂ガスに分離する排熱回収設備と、排熱回収設備で分離されて圧力が維持されたＣＯ₂ガスの一部を圧縮してカソードに圧送するＣＯ₂圧縮機と、所定圧力の純Ｏ₂をＣＯ₂圧縮器で圧縮されたＣＯ₂ガスに供給する酸素供給系と、排熱回収設備で分離されて圧力が維持されたＣＯ₂ガスの一部を圧縮してＣＯ₂回収系を構築する回収ＣＯ₂圧縮機とを備えたことを特徴とする。

請求項１０に係る本発明では、Ｏ₂を吹き込むことで石炭を石炭ガス化炉で燃焼させてガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをアノードガスとして溶融炭酸塩形燃料電池のアノードに供給し、アノードガスと純Ｏ₂及びＣＯ₂ガスを含むカソードガスとの電気化学反応により溶融炭酸塩形燃料電池で発電を行い、溶融炭酸塩形燃料電池の排気を燃焼器で燃焼させ、排熱回収設備で熱回収すると共に冷却して圧力が維持された状態のＣＯ₂ガスを分離し、圧力が維持された状態で分離されたＣＯ₂ガスの一部をＣＯ₂圧縮機で圧縮し、所定圧力の純Ｏ₂と共にカソードに圧送すると共に、圧力が維持された状態で分離されたＣＯ₂ガスの一部を更に回収ＣＯ₂圧縮機で圧縮して高圧状態のＣＯ₂として回収する。

圧力が維持された状態のＣＯ₂が回収ＣＯ₂圧縮機で圧縮されるため、圧縮動力を削減して回収のための動力損失を最小限に抑制することができる。また、ＣＯ₂を圧縮して冷却することで、高圧の液体ＣＯ₂としてＣＯ₂を回収することができ、地中に隔離するための動力を含む状態でのＣＯ₂の回収が容易になる。従って、石炭ガス化ガスを用いた発電の高効率化とＣＯ₂の回収の容易性を両立させた溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備の構築が可能になり、しかも、膨張タービン等の発電機器をなくして設備を大幅に簡素化した状態で発電効率の低下を抑制した発電設備の構築が可能になる。

これにより、石炭ガス化ガスを用いた溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備であっても、発電効率を低下させることなくＣＯ₂を有効に利用し、しかも、設備を簡素化してＣＯ₂の分離回収を容易に行なうことができる発電設備となる。

本発明の発電設備は、炭化水素系のガス化ガスを用いた発電装置を備えた発電設備であっても、発電効率を低下させることなくＣＯ₂を有効に利用し、しかも、設備を大幅に簡素化してＣＯ₂の分離回収を容易に行なうことができる発電設備となる。

本発明の発電設備は、炭化水素系のガス化ガス、特に、石炭ガスがガスを用いた燃料電池（溶融炭酸塩形燃料電池）を備えた発電設備であっても、発電効率を低下させることなくＣＯ₂を有効に利用し、しかも、設備を簡素化してＣＯ₂の分離回収を容易に行なうことができる発電設備となる。

本発明の一実施形態例に係る発電設備は、Ｏ₂を吹き込むことで石炭を燃焼して得られるガス化ガス（アノードガス）と、純Ｏ₂及びＣＯ₂ガスを含むカソードガスとで発電を行なう溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を備え、ＭＣＦＣの排気ガス（ＣＯ₂ガス）を熱回収して蒸気タービンで発電を行い、膨張タービンで排気ガスを膨張することなく圧力が維持されたＣＯ₂ガスの一部をＣＯ₂圧縮機で圧縮して純Ｏ₂と共にカソードガスとして循環させる。これにより、ＣＯ₂の排出量が多い石炭をガス化したガスを用いた場合でも、膨張タービンをなくして設備機器及び設備コストが大幅に削減された状態で、ＣＯ₂ガスを有効に利用してＭＣＦＣの性能を維持しつつ、発電効率の低下を抑制してＣＯ₂の削減を考慮した発電設備となる。

また、膨張タービンで排気ガスを膨張することなく圧力が維持されたＣＯ₂ガスの一部を回収ＣＯ₂圧縮機で圧縮し、更に、冷却して高圧の液体ＣＯ₂の状態で回収するようになっている。回収ＣＯ₂圧縮機では圧力が維持されたＣＯ₂ガスを回収のために圧縮するので、少ない圧縮動力により高圧の液体ＣＯ₂としてＣＯ₂を回収することができる。これにより、地中や海底に隔離するための動力分の圧力を確保した状態でＣＯ₂の回収が可能になり、ＣＯ₂の削減に留まらず、ＣＯ₂の分離回収の容易性も考慮した発電設備となる。

この結果、石炭ガス化ガスを用いた発電の高効率化とＣＯ₂の回収の容易性を両立させたＭＣＦＣを備えた発電設備の構築が可能になり、しかも、膨張タービン等の発電機器をなくして設備を大幅に簡素化した状態で発電効率の低下を抑制したコンパクトで設備コストを削減した発電設備の構築が可能になる。

図１に基づいて本発明の一実施形態例に係る発電設備を具体的に説明する。図１には本発明の一実施形態例に係る発電設備の概略系統を示してある。

図に示すように、本実施形態例の発電設備には、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２が備えられている。ＭＣＦＣ２は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）１１と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）１２との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、石炭ガス化ガスから得られた水素（Ｈ₂）をアノード１１に供給すると共に、純Ｏ₂とＣＯ₂をカソード１２に供給することで、Ｈ₂とＯ₂の電気化学反応により発電が行われる。

ＭＣＦＣ２の出口ガス（排気ガス）は燃焼器３に導入され、燃焼器３で燃焼された燃焼ガスは排熱回収ボイラ４で熱回収される。排熱回収ボイラ４には蒸気発生器５及び凝縮器６が備えられ、蒸気発生器５で発生した蒸気により駆動される蒸気タービン７が設けられている。蒸気タービン７には発電機８が同軸上に設けられ、蒸気タービン７の駆動により発電機８が作動して発電が行なわれる。

蒸気タービン７で仕事を終えた排気蒸気は復水器９で復水され、給水ポンプ１０により蒸気発生器５に給水される。蒸気発生器５で熱回収された排気ガスは凝縮器６で凝縮されて水（Ｈ₂Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ₂）に分離される。ＭＣＦＣ２の排気ガスは膨張タービン等で膨張されることなく、圧力が維持された状態で熱回収されてＣＯ₂ガスに分離される。

つまり、排熱回収ボイラ４（蒸気発生器５、凝縮器６）及び蒸気タービン７により排熱回収設備が構成され、ＣＯ₂の圧力が維持された状態で回収され、排熱回収ボイラ４での回収熱量を充分に確保して蒸気タービン７の出力を高くできるようになっている。

凝縮器６で分離されたＣＯ₂の一部はＣＯ₂圧縮機１３で圧縮され、ＣＯ₂圧縮機１３で圧縮されたＣＯ₂に所定の圧力の純Ｏ₂を供給する酸素供給系として酸素製造装置１４が備えられている。ＣＯ₂圧縮機１３で圧縮されたＣＯ₂に所定の圧力の純Ｏ₂が供給されてカソードガスが生成され、カソードガスはＭＣＦＣ２のカソード１２に供給される。酸素製造装置１４は、深冷設備からの純Ｏ₂を所定圧力に加圧して供給する装置で構成されている。

一方、酸素製造装置１４で得られた純Ｏ₂と共に石炭を燃焼して石炭ガス化ガス（炭化水素系のガス化ガス）を得るガス化設備としての石炭ガス化炉１５（Ｏ₂吹きのガス化炉）が備えられ、石炭ガス化炉１５で得られた石炭ガス化ガスは、ガス冷却器１６で冷却された後、ポーラスフィルタ１７を通って脱硫装置１８で脱硫される。脱硫装置１８で脱硫された石炭ガス化ガス（ＣＯリッチガス）は、シフト反応器１９で化学反応（発熱反応）によりＨ₂とＣＯ₂に反応され、所望のアノードガスを得てＭＣＦＣ２のアノード１１に供給される（アノードガス生成手段）。脱硫後の石炭ガス化ガスに異物が残留した場合、異物をシフト反応器１９でトラップすることができる。

シフト反応器１９は石炭ガス化ガスが流通する配管内に所望の触媒が配されたもので、石炭ガス化ガス（ＣＯを含有するガス）を発熱反応によりＨ₂とＣＯ₂に反応させて電気化学反応に用いられるＨ₂を含むアノードガスとされる。シフト反応器１９では、
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂の発熱反応が行なわれる。

発熱反応によりＨ₂を得ているので、アノードガスを所望の温度に昇温させるための熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を用いることなく、即ち、他の機器からの熱を必要とせずにＨ₂を含むアノードガスをＭＣＦＣ２のアノード１１に供給することができる。このため、発熱量を維持することでアノードガスの温度を所望温度に維持することができ、アノードガスの温度を調整するための余分な熱交換用の熱源や冷却源（アノード排ガスの循環等）をなくした状態で、放射熱が生じない状態でアノードガスを得ることができる。

また、従来までＭＣＦＣ２の内部で起こっていたシフト反応による発熱をＭＣＦＣ２の外部で行うため、シフト反応による発熱分だけ、ＭＣＦＣ２での冷却が不要となり、カソードガスによる電池の冷却動力が削減される。

脱硫装置１８は湿式の装置で、前述した排熱回収ボイラ４の凝縮器６で凝縮された凝縮水（回収水）の一部が導入される。また、凝縮器６で凝縮された凝縮水（回収水）はポンプ２１によりガス冷却器１６に送られ、石炭ガス化ガスの冷却用の媒体とされる。凝縮水（回収水）はガス冷却器１６で熱交換により加熱されて蒸気とされ、脱硫装置１８で脱硫された石炭ガス化ガスに供給されると共に蒸気タービン７に供給される。

燃焼器３に送られるＭＣＦＣ２のカソード排気の一部を冷却する冷却器２３が備えられ、冷却器２３で冷却されたカソード排気はブロア２４でカソード１２の入口側のカソードガス（純Ｏ₂とＣＯ₂ガスを含むカソードガス）に供給され、カソードガスが所望の温度に昇温される。冷却器２３には冷却媒体として給水ポンプ１０で蒸気発生器５に送られる給水の一部が送られ、熱回収された冷却媒体である給水は、冷却器２３で蒸気とされて蒸気タービン７に送られる（図中※１）。

このため、カソードガスを所望の温度に昇温させるための熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を用いることなくカソードガスをＭＣＦＣ２のカソード１２に供給することができる。尚、ブロア２４に代えてエジェクタを設けることも可能である。

アノードガスはシフト反応器１９で昇温され、カソードガスはカソード排気の循環により昇温されているので、ＭＣＦＣ２に熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を備える必要がなく、機器の設置スペースを省略して設計の自由度が増すと共にコンパクト化を図ることが可能になる。

一方、凝縮器６で分離されてＣＯ₂圧縮機１３で圧縮される一部のＣＯ₂以外のＣＯ₂（ＣＯ₂の一部）は回収系を構成する回収ＣＯ₂圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮され、冷却器２７で冷却されて液体ＣＯ₂（Ｌ・ＣＯ₂）として回収設備２８に回収される。ＭＣＦＣ２の排気ガスは膨張タービン等で膨張されることなく、圧力が維持された状態でＣＯ₂ガスに分離され、圧力が維持されたＣＯ₂ガスの一部が回収ＣＯ₂圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮されている。

ＣＯ₂の回収系では、膨張タービン等で膨張されることなく圧力が維持された状態のＣＯ₂ガスの一部が回収ＣＯ₂圧縮機２６で回収のために圧縮され、更に、冷却器２７で冷却されて高圧の液体ＣＯ₂を得ることができる。このため、少ない圧縮動力の回収ＣＯ₂圧縮機２６により回収用の高圧の圧縮ＣＯ₂ガスを得て液体ＣＯ₂としてＣＯ₂を回収することができる。高圧の液体ＣＯ₂としてＣＯ₂が回収されるため、地中や海底に隔離するための動力分の圧力を確保した状態でＣＯ₂が回収され、ＣＯ₂の分離回収の容易性が考慮された発電設備となる。

尚、圧力が維持された状態のＣＯ₂ガスの一部を回収ＣＯ₂圧縮機２６で圧縮せずに、そのままの圧力状態で回収することも可能である。

上述した発電設備では、石炭を石炭ガス化炉１５で燃焼させ、ガス冷却器１６で石炭ガス化ガスが冷却されると共にポーラスフィルタ１７を通って脱硫装置１８で脱硫処理されてアノードガスが生成される。石炭ガス化ガスはシフト反応器１９で発熱反応によりＨ₂とＣＯ₂に反応され、Ｈ₂を含むアノードガスがＭＣＦＣ２のアノード１１に供給される。ＭＣＦＣ２では、Ｈ₂を含むアノードガスと純Ｏ₂及びＣＯ₂ガスを含むカソードガスとの電気化学反応により発電が行なわれる。

このため、余分な熱源及び熱交換源をなくした状態で、石炭ガス化ガスから所望のアノードガスを得ることができる。

ＭＣＦＣ２の排気は燃焼器３で燃焼され、膨張タービンで膨張されることなく圧力が維持された状態で排熱回収ボイラ４の蒸気発生器５で熱回収され、凝縮器６で冷却されてＣＯ₂ガスと水に分離される。分離されたＣＯ₂ガスはＣＯ₂圧縮機１３で圧縮され、酸素製造装置１４からの純Ｏ₂と共にカソードガスとしてカソード１２に圧送される。カソードガスにはカソード側の排気が冷却器２３で冷却されてブロア２４で循環供給され、カソードガスが所望の温度に維持される。

上述した発電設備では、アノードガスをシフト反応器１９で発熱反応させているので、他の機器からの熱源がないため冷却の必要がない。このため、ＣＯ₂ガスと純Ｏ₂からなるカソードガスを適用している場合でも（限られた流量のカソードガスを用いている場合でも）、ＭＣＦＣ２の性能を維持した状態でＣＯ₂の削減を考慮した設備とすることができる。

一方、凝縮器６で分離されたＣＯ₂の一部は回収ＣＯ₂圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮され、冷却器２７で冷却されて液体ＣＯ₂（Ｌ・ＣＯ₂）として回収設備２８に回収される。ＭＣＦＣ２の排気ガスは膨張タービン等で膨張されることなく、圧力が維持された状態でＣＯ₂ガスに分離されているので、圧力が維持されたＣＯ₂ガスの一部が回収ＣＯ₂圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮されている。

ＭＣＦＣ２の排気ガスの圧力、即ち、ＭＣＦＣ２に供給されるアノードガス及びカソードガスの圧力（運転圧力）は、ＣＯ₂圧縮機１３及び回収ＣＯ₂圧縮機２６の回転数を調整して圧縮比を変更することで任意の圧力に調整することができる。膨張タービンを用いていないため、出口側の圧縮比を変更することで全体の設備を部分負荷で運転することができ、負荷変動に対応させやすい発電設備となる。

このため、少ない圧縮動力の回収ＣＯ₂圧縮機２６により回収用の高圧の圧縮ＣＯ₂ガスを得て液体ＣＯ₂としてＣＯ₂を回収することができる。高圧の液体ＣＯ₂としてＣＯ₂が回収されるため、地中や海底に隔離するための動力分の圧力を確保した状態でＣＯ₂が回収され、ＣＯ₂の分離回収の容易性が考慮された発電設備となる。

従って、地中や海底にＣＯ₂を隔離することを想定した発電設備を構築する場合に、ＣＯ₂の圧送動力や圧送経路（手段）を考慮することなく、所望の隔離場所に発電設備を建設することが可能になり、発電設備の構築に対する自由度が向上する。しかも、回収ＣＯ₂圧縮機２６が小型化されると共に、膨張タービン等の動力機器が存在しないため、設備が大幅に簡素化され、大幅なコスト低減を図ることが可能になる。

上述した発電設備は、膨張タービン（ガスタービン）を備えていないので、ガスタービンによる動力回収を行なう設備に比べて発電効率が低下すると考えられる。しかし、燃焼器３からの燃焼ガスの圧力を維持した状態で熱回収を行なっているので、即ち、圧力を低下させずに熱回収を行なっているので、潜熱回収エネルギーが多くなり、蒸気タービン７側での熱回収量が多くなって高い熱効率を維持することができる。

圧力が維持されたＣＯ₂ガスの一部が回収ＣＯ₂圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮されているので、ＣＯ₂を圧縮するために必要な動力を大幅に減らすことができる。言い換えれば、大きな動力を用いることなくＣＯ₂を高圧状態で回収することができる。そして、蒸気タービン７側での熱回収量が多くなって蒸気タービン７の出力が増大する。更に、燃焼器３からの燃焼ガスの圧力を維持した状態で熱回収を行なっているので、水分が凝縮する際に高い温度の温水として潜熱回収が行なわれ、潜熱損失が削減されて蒸気タービン７での出力向上に寄与している。

上述した発電設備では、５５％（ＨＨＶ）を超える送電端効率での運転が可能である。図２〜図５に基づいて発電設備の性能を説明する。図２にはＭＣＦＣ２の運転条件、性能、ガス化効率の一例、図３には発電設備の性能及び動力の一例、図４には発電設備の熱損失と動力損失の一例、図５には本実施形態例の発電設備の効率の内訳の一例を示してある。図に示した数値の一例は実際の設備に適用したと仮定した時の試算値であり、本願発明の発電設備の効率を定量的に説明したものである。このため、実際の設備とした場合には、機器の配置や適用種類により数値は変化するものであるが、全体の傾向は（概略）同程度であり、トータルでの効率である５５％（ＨＨＶ）を超える送電端効率は確保できるものである。

図２に示すように、ＭＣＦＣ２の運転条件は、燃料利用率が９２．３％、酸素利用率及びＣＯ₂利用率が１０．９％（カソードリサイクルの内側の利用率）、電流密度が２０００Ａ／ｍ²、セル電圧が０．９２０５８Ｖ、ＣＯ₂分圧が１．７ＭＰａ、カソードリサイクル率が９８．９％、ガス化炉空気比が０．３９、冷ガス効率が８３．３％、熱ガス効率が９８．１％となっている。

発電設備の性能及び動力は、図３に示す通りであり、発電設備の熱損失と動力損失は、図４に示す通りとなり、発電端効率が６６．９％、送電端効率が５６．４％（いずれもＨＨＶ）となる。つまり、２．２ＭＰａの高圧で運転し、２０００Ａ／ｍ²の高い運転密度を維持し、１０ＭＰａの液体ＣＯ₂の回収を行なった場合でも、ＣＯ₂の液化動力を含めて５６．４％の送電端効率を達成することができる。

つまり、図５に示すように、送電端出力が３００ＭＷ級で、運転圧力が２．２ＭＰａ、運転電流密度が２０００Ａ／ｍ²、ＭＣＦＣ２の出力割合が６９．２％、蒸気タービン７の出力割合が３０．８％となる。そして、ＣＯ₂圧縮機１３の動力割合が０．０３％、回収ＣＯ₂圧縮機２６の動力割合が１．１％、酸素製造動力割合が９．２％であり、ＣＯ₂の液化動力を含んだ送電端効率が５６．４％（ＨＨＶ）となる。

例えば、地中に液体ＣＯ₂を貯留するためには８ＭＰａ程度の圧力が必要とされるが、１０ＭＰａの液体ＣＯ₂として回収することで、地中貯留に対応できる充分な圧力状態で回収されている。これにより、石炭火力の発電設備をＣＯ₂地下貯留のしやすい任意の場所に建設することが可能になる。

以上が石炭から動力に変わった割合（ｇｒｏｓｓ）の変換効率に対し、石炭から生成された電気の消費動力、その他プラント全体補機動力、機器の損失（図３、図４参照）を差し引いて送電端効率が５６．４％（ＨＨＶ）となる。５６．４％を算出するにあたり用いた数値は、既存の機器による運転により過去に得られた既知の数値であるので、技術は日々進歩しているものであり、運転条件の最適化も日々向上していることにより、５６．４％は最低限の値であるといえる。このため、ＭＣＦＣ２、蒸気タービン７の運転条件を変更することなく高い側の数値の発電効率（例えば、６０％）を達成することが可能である。

上述した発電設備は、膨張タービンを用いることなくＭＣＦＣ２と蒸気タービン７を用いて高圧のシステムを構築し、更に、ＣＯ₂を高圧の液体ＣＯ₂として回収すると共にカソードガスとして循環させて閉サイクルを構成し、膨張タービンを無くした簡素な設備とされている。そして、ＭＣＦＣ２の排気ガスの圧力を維持することで多くの熱を回収して蒸気タービン７の出力を高くし、圧力が維持されたＣＯ₂を圧縮することで、少ない圧縮動力でＣＯ₂を高圧の液体ＣＯ₂として回収し、高い熱効率を達成して高い発電効率を達成している。

このため、石炭ガス化ガスを用いたＭＣＦＣ２を備えた発電設備であっても、発電効率を低下させることなくＣＯ₂を有効に利用し、しかも、膨張タービンを省略して設備を大幅に簡素化し、ＣＯ₂の分離回収を高圧の状態で容易に行ない、回収したＣＯ₂の用途の自由度が高い発電設備となる。

上述した実施形態例では、圧縮された炭化水素系のガス化ガスとして、石炭を燃焼して得られる石炭ガス化ガスを例に挙げて説明したが、固体燃料として生物資源（バイオマス）を燃焼させて得られるガス化ガスや、軽油やガソリン、メタノール、エタノール等のアルコール類等の液体燃料を用いることも可能である。また、発電装置としては、ＭＣＦＣ２に限らず、膨張を伴わずに発電を行なう固体酸化物形燃料電池を用いることも可能であり、この場合、改質手段を用いて天然ガスを燃料として適用することも可能である。

また、ＭＣＦＣ２の圧力が維持された排気をＣＯ₂に分離し、分離したＣＯ₂をカソードガスとして用いて閉サイクルの設備としているが、ＭＣＦＣ２の圧力が維持された排気を全量回収し、他の設備からのＣＯ₂をカソードガスとして用いる設備を構築することも可能である。

本発明は、炭化水素系のガス化ガスと圧縮されたＯ₂を含むガスが供給されて発電を行う発電装置を備えた発電設備の産業分野で利用することができる。

特に、炭化水素系のガス化ガスと圧縮されたＯ₂を含むガスが供給されて、水素と酸素の電気化学反応により電力を得る燃料電池を備えた発電設備の産業分野で利用することができる。

本発明の一実施形態例に係る発電設備の概略系統図である。 ＭＣＦＣ２の運転条件、性能、ガス化効率の一例を示す表図である。 発電設備の性能及び動力の一例を示す表図である。 発電設備の熱損失と動力損失の一例を示す表図である。 本実施形態例の発電設備の効率の内訳の一例を示す表図である。

符号の説明

２ 溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
３ 燃焼器
４ 排熱回収ボイラ
５ 蒸気発生器
６ 凝縮器
７ 蒸気タービン
８ 発電機
９ 復水器
１０ 給水ポンプ
１１ 燃料極（アノード）
１２ 空気極（カソード）
１３ ＣＯ₂圧縮機
１４ 酸素製造装置
１５ 石炭ガス化炉
１６ ガス冷却器
１７ ポーラスフィルタ
１８ 脱硫装置
１９ シフト反応器
２１ ポンプ
２３、２７ 冷却器
２４ ブロア
２６ 回収ＣＯ₂圧縮機
２８ 回収設備

Claims (10)

1. 炭化水素系のガス化ガスと圧縮されたＯ₂を含むガスが供給され、膨張を伴わずに発電を行ない、仕事を終えた排気ガスとしてのＣＯ₂の圧力が維持されて回収される発電装置を備えたことを特徴とする発電設備。
2. 炭化水素系のガス化ガスがアノードガスとしてアノードに供給され、圧縮されたＯ₂を含むガスがカソードガスとしてカソードに供給され、カソードガス及びアノードガスの電気化学反応により発電を行ない、排気ガスとしてのＣＯ₂の圧力が維持されて回収される燃料電池を備えたことを特徴とする発電設備。
3. 請求項１もしくは請求項２に記載の発電設備において、
   炭化水素系のガス化ガスは、Ｏ₂吹きのガス化設備により燃料をガス化したガス化ガスであることを特徴とする発電設備。
4. 請求項３に記載の発電設備において、
   ガス化設備は、石炭を燃焼させることでガス化ガスを得ることを特徴とする発電設備。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発電設備において、
   圧力が維持されて回収されたＣＯ₂は、ＣＯ₂圧縮機により更に圧縮されて回収されることを特徴とする発電設備。
6. 請求項５に記載の発電設備において、ＣＯ₂圧縮機により更に圧縮されたＣＯ₂は、発電装置に回収されることを特徴とする発電設備。
7. 請求項５に記載の発電設備において、ＣＯ₂圧縮機により更に圧縮されたＣＯ₂は、冷却されて液体ＣＯ₂として回収されることを特徴とする発電設備。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の発電設備において、
   排気ガスとしてのＣＯ₂の熱エネルギーを回収する熱回収手段を備え、熱回収手段で発生した蒸気により動力を得る蒸気タービンを備えたことを特徴とする発電設備。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の発電設備において、
   圧縮されたＯ₂は、深冷分離方式により得られた純Ｏ₂であることを特徴とする発電設備。
10. Ｏ₂を吹き込むことで石炭を燃焼してガス化ガスを得る石炭ガス化炉と、
    石炭ガス化炉で得られたガス化ガスがアノードガスとしてアノードに供給されると共に純Ｏ₂及びＣＯ₂ガスを含むカソードガスがカソードに供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、
    カソードのカソード排気及びアノードのアノード排気を燃焼する燃焼器と、
    燃焼器からの燃焼ガスの圧力を維持した状態で熱回収を行って蒸気を発生させ、熱回収された排気を冷却して水及びＣＯ₂ガスに分離する排熱回収設備と、
    排熱回収設備で分離されて圧力が維持されたＣＯ₂ガスの一部を圧縮してカソードに圧送するＣＯ₂圧縮機と、
    所定圧力の純Ｏ₂をＣＯ₂圧縮器で圧縮されたＣＯ₂ガスに供給する酸素供給系と、
    排熱回収設備で分離されて圧力が維持されたＣＯ₂ガスの一部を圧縮してＣＯ₂回収系を構築する回収ＣＯ₂圧縮機と
    を備えたことを特徴とする発電設備。

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