JP2009215608A

JP2009215608A - 水素製造プラント

Info

Publication number: JP2009215608A
Application number: JP2008060239A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Tsuji; 正辻
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2009-09-24

Abstract

【課題】発電の副生品を水素製造に利用することとして、水素製造プラント及び発電システムからの排出物の量を削減し、環境負荷を低減する。
【解決手段】水素製造プラントは、燃料ｆを燃焼させて電力を得る発電装置２と、発電装置２の発電した電力を少なくとも一部使用して水を水素と酸素に分解する水の電気分解装置１を備える。水を分解して得られた酸素ｏｘは発電装置２における燃料ｆの燃焼に利用する。発電装置２の燃焼ガスから回収される水ｗｅは、電気分解装置２の原料水ｗｓの少なくとも一部として利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は発電装置を伴う水素製造プラントに関する。

水素を工業的に製造するには大電力が必要であり、また水素製造に伴う副生品は火力発電に利用可能であることから、水素製造プラントを発電システムに併設することがしばしば行われる。その例を特許文献１及び２に見ることができる。

特許文献１には、石炭や石油、バイオマス等の原料をガス化炉でガス化し、このガスから水素分離装置で水素を分離し、水素を分離した後のガスを発電設備の燃料とする水素製造設備併用発電システムが記載されている。

特許文献２には、水を電気分解して水素を製造するに際し、副生品の酸素をガス化複合発電システムの酸化剤として利用すると共に、このガス化複合発電システムにより発電したエネルギーを水素製造のために利用する水素製造方法が記載されている。
特開２００７−１３８９００特開平１０−１７３０１

本発明は、水素製造の副生品を発電に利用するという考えをさらに一歩進め、発電の副生品を水素製造に利用することとして、水素製造プラント及び発電システムからの排出物の量を削減し、環境負荷を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、水素製造プラントを次のように構成した。すなわち、燃料を燃焼させて電力を得る発電装置と、前記発電装置の発電した電力を少なくとも一部使用して水を水素と酸素に分解する水の電気分解装置とを備え、前記水を分解して得た酸素を前記発電装置における燃料の燃焼に利用するとともに、燃焼ガスから回収される水を、前記水の電気分解装置の原料水の少なくとも一部として利用することとした。

この構成によると、発電装置の副生品である水を水素製造用原料水の少なくとも一部として利用するので、外部から供給する水の量を抑えることができる。また廃棄物として外部に排出する水の量が減るので、温水の放出に伴う河川、海洋の水温上昇といった問題が生じにくい。

また本発明は、上記構成の水素製造プラントにおいて、前記燃焼ガスから二酸化炭素を、空中に放出することなく回収することを特徴としている。

この構成によると、二酸化炭素の放出を削減し、環境負荷を一層低減できる。

また本発明は、上記構成の水素製造プラントにおいて、前記発電装置が、バイオマス由来の燃料を用いることを特徴としている。

この構成によると、水素製造のために化石燃料を大量使用しなくて済む。

また本発明は、上記構成の水素製造プラントにおいて、前記発電装置の動力源がディーゼルエンジンであることを特徴としている。

この構成によると、電力を必要とする際、発電装置を速やかに立ち上げることができる。

また本発明は、上記構成の水素製造プラントにおいて、前記発電装置の動力源がガスタービンとディーゼルエンジンの複合システムまたはガスタービンとガスエンジンの複合システムであることを特徴としている。

この構成によると、発電効率が高く、水素製造プラントに十分な電力を供給することができる。

本発明によると、発電の副生品である水を水素製造に利用するから、水素製造プラント及び発電システムからの排出物の量が削減され、環境負荷を低減することができる。

本発明の第１実施形態を図１に示す。図１は水素製造プラントの概略系統図である。

図１において、１は水の電気分解装置、２は発電装置、３は水素貯留タンクである。水の電気分解装置１は原料水ｗｓを電気分解して水素ｈと酸素ｏｘを生成し、水素ｈは水素貯留タンク３に貯留する。発電装置２は閉サイクル構成であり、燃料ｆを燃焼して発電を行う。燃料ｆの燃焼には水素製造の副生品である酸素ｏｘが利用される。発電装置２の発電電力ｇ₁は、他から供給される電力と併せて水の電気分解用電力ｇ₂として利用される。発電装置２で燃焼の副生品として燃焼ガスから回収される回収水ｗｅは原料水ｗｓの一部として利用される。同じく燃焼の副生品である回収二酸化炭素ｃａは、地中（岩盤や油田跡など）に貯留したり、ハイドレートの形で海底に貯留するなどの形で、空中に放出することなく処理される。

上記構成によると、閉サイクル構成の発電装置２で発電した電力を、水を電気分解するための電力の少なくとも一部として使用するので、電気分解用電力を全量購買するのに比べ、環境負荷を、特に二酸化炭素の排出という面において、低減することができる。また
回収水ｗｅを原料水ｗｓの一部として利用するので、外部から供給される水の消費量をそれだけ抑えることができる。また廃棄物として外部に排出する水の量が減るので、温水の放出に伴う河川、海洋の水温上昇といった問題が生じにくい。

本発明の第２実施形態を図２に示す。図２は水素製造プラントの概略系統図である。

第２実施形態では、第１実施形態に次の構成要素が加わっている。すなわち４はガス化プラント、５は火力発電プラント、６は煙突である。

ガス化プラント４は、木質系バイオマスｗｂをガス化し、燃料ガスｇｆと炭化燃料ｂｄを生成する。燃料ガスｇｆは燃料ｆと共に発電装置２で燃焼される。炭化燃料ｂｄは石炭ｃｆと共に火力発電プラント５で燃焼される。火力発電プラント５が発電した電力ｇ₃の一部は電気分解用電力ｇ₂の一部として利用される。火力発電プラント５の排気ｅは煙突６から空中に放出される。

上記構成によると、発電装置２は木質系バイオマスｗｂに由来する燃料ガスｇｆを燃料として用い、火力発電プラント５は木質系バイオマスｗｂに由来する炭化燃料ｂｄを燃料として用いるので、水素製造のために化石燃料を大量使用しなくて済む。

炭化燃料ｂｄを燃料としてではなく土壌改良剤や水質浄化剤などの固定的用途に用いるときは、ＣＯ₂無排出を達成できるので、風力や水力といった再生可能エネルギーで発電した電力や、原子力で発電した電力を電力ｇ₃とすることができる。

本発明の第３実施形態を図３に示す。図３は水素製造プラントの概略系統図である。

第３実施形態では、第１実施形態または第２実施形態の発電装置２に代えて次の構成要素を配置した。すなわち７はディーゼルエンジン、７ａはディーセルエンジン７のシリンダーヘッド、８は排熱回収ボイラー、９は発電機である。

ディーゼルエンジン７の燃料は燃料ｆと燃料ガスｇｆの混合燃料ｍｆである。ディーゼルエンジン７を運転すると、発電機９が電力ｇ₁を発電する。電力ｇ₁は水の電気分解用電力として利用される。ディーゼルエンジン７の再循環作動流体ｒから、排熱回収ボイラー８が熱を回収する。排熱回収ボイラー８を出た再循環作動流体ｒから回収水ｗｅと回収二酸化炭素ｃａが回収される。回収水ｗｅは電解装置１の原料水ｗｓの一部として利用される。回収二酸化炭素ｃａは空中に放出することなく処理される。水素製造の副生品である酸素ｏｘはディーゼルエンジン７で消費される。

本発明の第４実施形態を図４に示す。図４は水素製造プラントの概略系統図である。

第４実施形態では、第３実施形態のディーゼルエンジン７に代えてガスタービン１０を配置した。１１は圧縮機、１２は燃焼室である。

燃焼室１２には燃料ｆと燃料ガスｇｆの混合燃料ｍｆを供給する。ガスタービン１０を運転すると、発電機９が電力ｇ₁を発電する。電力ｇ₁は水の電気分解用電力として利用される。ガスタービン１０の再循環作動流体ｒから、排熱回収ボイラー８が熱を回収する。排熱回収ボイラー８を出た再循環作動流体ｒから回収水ｗｅと回収二酸化炭素ｃａが回収される。回収水ｗｅは電解装置１の原料水ｗｓの一部として利用される。回収二酸化炭素ｃａは空中に放出することなく処理される。再循環作動流体ｒは圧縮機１１に帰還し、循環を繰り返す。水素製造の副生品である酸素ｏｘは燃焼室１２で消費される。

本発明の第５実施形態を図５に示す。図５は水素製造プラントの概略系統図である。

第５実施形態では、第４実施形態のガスタービン１０に加え、ディーゼルエンジン７を配置して、発電装置の動力源を複合システムとした。ガスタービン１０は発電機９を駆動し、ディーゼルエンジン７は発電機１３を駆動する。

燃焼室１２及びディーゼルエンジン７には燃料ｆと燃料ガスｇｆの混合燃料ｍｆを供給する。この複合発電システムを運転すると、コンプレッサ１１によって圧縮された再循環作動流体ｒがディーゼルエンジン７に送られ、ディーゼルエンジン７は混合燃料ｍｆを燃料として運転を行う。ディーゼルエンジン７から排出された再循環作動流体ｒは燃焼室１２に入る。燃焼室１２では混合燃料ｍｆが燃焼し、燃焼ガスはガスタービン１０に送られてガスタービン１０を回転させる。ガスタービン１０から排出された再循環作動流体ｒから排熱回収ボイラー８が熱を回収する。排熱回収ボイラー８を出た再循環作動流体ｒから回収水ｗｅと回収二酸化炭素ｃａが回収される。回収水ｗｅは電解装置１の原料水ｗｓの一部として利用される。回収二酸化炭素ｃａは空中に放出することなく処理される。再循環作動流体ｒは圧縮機１１に帰還し、循環を繰り返す。

水素製造の副生品である酸素ｏｘの一部（ｏｘ₁）はディーゼルエンジン７で消費され、他の一部（ｏｘ₂）は燃焼室１２で消費される。発電機９の発電電力ｇ₁と、発電機１３の発電電力ｇ₂は、水の電気分解用電力ｇ₃として利用される。

上記構成によると、発電装置の動力源がガスタービンとディーゼルエンジンの複合システムであるため、発電効率が高く、水素製造プラントに十分な電力を供給することができる。

本発明の第６実施形態を図６に示す。図６は水素製造プラントの概略系統図である。

第６実施形態では、発電装置の動力源をガスタービンとガスエンジンの複合システムとした。すなわち第５実施形態のディーゼルエンジン７に代え、ガスエンジン１４を配置した。図７にガスエンジンとガスタービンの略図を示す。ガスタービン１０は発電機９を駆動し、ガスエンジン１４は発電機１３を駆動する。

ガスエンジン１４には燃料ｆ₁を供給し、燃焼室１２には燃料ｆ₂を供給する。この複合発電システムを運転すると、コンプレッサ１１によって圧縮された再循環作動流体ｒが冷却器１５を経由してガスエンジン１４に送られ、ガスエンジン１４は燃料ｆ₁を燃料として運転を行う。ガスエンジン１４から排出された再循環作動流体ｒは燃焼室１２に入る。燃焼室１２では燃料ｆ₂が燃焼し、燃焼ガスはガスタービン１０に送られてガスタービン１０を回転させる。ガスタービン１０から排出された再循環作動流体ｒから排熱回収ボイラー８が熱を回収する。排熱回収ボイラー８は回収した熱で蒸気をつくり、蒸気タービン１６を駆動させる。これにより、この水素製造プラントの熱利用率は一層向上する。

排熱回収ボイラー８を出た再循環作動流体ｒから回収水ｗｅと回収二酸化炭素ｃａが回収される。回収水ｗｅは電解装置１の原料水ｗｓの一部として利用される。回収二酸化炭素ｃａは空中に放出することなく処理される。再循環作動流体ｒは圧縮機１１に帰還し、循環を繰り返す。

水素製造の副生品である酸素ｏｘの一部（ｏｘ₁）はガスエンジン１４で消費され、他の一部（ｏｘ₂）は燃焼室１２で消費される。発電機９の発電電力ｇ₁と、発電機１３の発電電力ｇ₂は、水の電気分解用電力ｇ₃として利用される。

燃料と酸素が別々にガスエンジンやガスタービンに供給されるときは、ガスエンジンの副室やガスタービンのノズルに図７に示すような工夫をこらす。

上記構成によると、発電装置の動力源がガスタービンとガスエンジンの複合システムであるため、発電効率が高く、水素製造プラントに十分な電力を供給することができる。

本発明の第７実施形態を図８に示す。図８は水素製造プラントの概略系統図である。

第７実施形態は第６実施形態に次の要素を付加したものである。すなわち排熱回収ボイラー８から圧縮機１１までの再循環作動流体ｒの流路の途中に冷却器１７を配置した。そして冷却器１７の下流側から再循環作動流体ｒの一部を抽気（ｅｘ）し、それを分離装置１８に送って水と二酸化炭素を分離するものとした。分離した回収水ｗｅは電解装置１の原料水ｗｓの一部として利用される。回収二酸化炭素ｃａは空中に放出することなく処理される。

上記構成によると、再循環作動流体ｒの一部を系外に抽気するから、系内の再循環作動流体ｒの質量を適正に維持し、質量バランスを保つことができる。

本発明の第８実施形態を図９に示す。図９は水素製造プラントの概略系統図である。

第８実施形態は第７実施形態に酸素供給装置１９と酸素貯蔵槽２０を付加し、さらに酸素供給の仕組みを変えたものである。分離装置１８は酸素も分離するものであり、分離した酸素Ｏ₂は酸素供給装置１９に送られる。酸素貯蔵槽２０には水の電気分解装置１で水素製造の副生品として生成される酸素ｏｘが供給される。酸素供給装置１９は分離装置１８から送られる酸素Ｏ₂と酸素貯蔵槽２０から送られる酸素を混合し、再循環作動流体ｒに供給する酸素ｏｘとして送り出す。ガスエンジン１４では再循環作動流体ｒに燃料ｆ_１を投入し、ガスタービン１０では再循環作動流体ｒに燃料ｆ_２を投入して燃料リッチ条件を形成する。

上記構成によると、分離装置１８が分離した酸素をガスエンジン１４とガスタービン１０で利用し、複合システムの出力向上あるいは熱効率向上に役立てることができる。

本発明の第９実施形態を図１０に示す。図１０は水素製造プラントの概略系統図である。

第９実施形態は第８実施形態に次のような改変を加えたものである。すなわち、水の電気分解装置１で水素製造の副生品として生成される酸素ｏｘを、酸素貯蔵槽２０にではなく、一部（ｏｘ₁）はガスエンジン１４に送り、他の一部（ｏｘ₂）は燃焼室１２に送る。ガスエンジン１４では再循環作動流体ｒに燃料ｆ_１を投入した燃料リッチ条件としたところへ酸素ｏｘ_１を投入して高温の燃焼ガスを得、ガスタービン１０では再循環作動流体ｒに燃料ｆ_２を投入して燃料リッチ条件としたところへ酸素ｏｘ_２を投入して高温の燃焼ガスを得る。

上記構成によっても、複合システムの出力向上あるいは熱効率向上を達成することができる。

以上本発明の各実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は発電装置を伴う水素製造プラントに広く利用可能である。

第１実施形態に係る水素製造プラントの概略系統図第２実施形態に係る水素製造プラントの概略系統図第３実施形態に係る水素製造プラントの概略系統図第４実施形態に係る水素製造プラントの概略系統図第５実施形態に係る水素製造プラントの概略系統図第６実施形態に係る水素製造プラントの概略系統図ガスエンジンとガスタービンの略図第７実施形態に係る水素製造プラントの概略系統図第８実施形態に係る水素製造プラントの概略系統図第９実施形態に係る水素製造プラントの概略系統図

符号の説明

１電気分解装置
２発電装置
３水素貯留タンク
４ガス化プラント
５火力発電プラント
７ディーゼルエンジン
８排熱回収ボイラー
９発電機
１０ガスタービン
１１圧縮機
１２燃焼室
１３発電機
１４ガスエンジン
１５冷却器
１６蒸気タービン
１７冷却器
１８分離装置
１９酸素供給装置
２０酸素貯蔵槽

Claims

燃料を燃焼させて電力を得る発電装置と、前記発電装置の発電した電力を少なくとも一部使用して水を水素と酸素に分解する水の電気分解装置とを備え、
前記水を分解して得た酸素を前記発電装置における燃料の燃焼に利用するとともに、燃焼ガスから回収される水を、前記水の電気分解装置の原料水の少なくとも一部として利用することを特徴とする水素製造プラント。
前記燃焼ガスから二酸化炭素を、空中に放出することなく回収することを特徴とする請求項１に記載の水素製造プラント。
前記発電装置が、バイオマス由来の燃料を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の水素製造プラント。
前記発電装置の動力源がディーゼルエンジンであることを特徴とする請求項１または２に記載の水素製造プラント。
前記発電装置の動力源が、ガスタービンとディーゼルエンジンの複合システムまたはガスタービンとガスエンジンの複合システムであることを特徴とする請求項１または２に記載の水素製造プラント。