JP2011103213A - Power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電システムに関する。 The present invention relates to a power generation system.
石炭を用いる火力発電では、二酸化炭素の排出量を低減して、環境負荷を低減する必要がある。そこで、石炭ガス化燃料電池複合発電(IGFC;Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle)によって、石炭のエネルギーを効率よく電力に変換すると共に、発電後に排出される二酸化炭素を含む排出ガスから二酸化炭素を回収することが知られている。尚、IGFCは、石炭をガス化して水素や一酸化炭素等を含む燃料ガスを生成し、この燃料ガスによって燃料電池を作動させると共に、ガスタービン及び蒸気タービンを駆動させて、複合的に発電する発電形態である。 In thermal power generation using coal, it is necessary to reduce the amount of carbon dioxide emission and reduce the environmental load. Therefore, the coal gasification fuel cell combined cycle (IGFC) efficiently converts coal energy into electric power and collects carbon dioxide from exhaust gas containing carbon dioxide discharged after power generation. It is known to do. In addition, IGFC gasifies coal, produces | generates fuel gas containing hydrogen, carbon monoxide, etc., and while operating a fuel cell with this fuel gas, it drives a gas turbine and a steam turbine, and generates electricity collectively. It is a form of power generation.
このようなIGFCを用いた発電システムとしては、酸素を用いて石炭を部分燃焼させ燃料ガスを生成するガス化炉と、燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、燃料ガスや燃料電池の排出ガスによって発電するガスタービン及び蒸気タービンと、燃料電池の排出ガスに含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部とを備えたものが知られている。 Such a power generation system using IGFC includes a gasification furnace that generates fuel gas by partially burning coal using oxygen, a fuel cell that generates electricity by electrochemical reaction of fuel gas and oxidant, fuel, 2. Description of the Related Art A gas turbine and a steam turbine that generate power using gas or fuel cell exhaust gas, and a carbon dioxide recovery unit that recovers carbon dioxide contained in the fuel cell exhaust gas are known.
また、上記の二酸化炭素回収部としては、例えば約40度の吸収温度で二酸化炭素を吸収し、例えば約120度の再生温度で二酸化炭素を放出するアルカノールアミン水溶液等の吸収液を用いて、排出ガスから二酸化炭素を回収するものが知られている(例えば、特許文献1を参照)。この二酸化炭素回収部は、吸収温度で吸収液と排出ガスを接触させ、吸収液に排出ガス中の二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、発電システムで電力を得るために発生させた水蒸気等を熱源として吸収液の温度を再生温度以上に上昇させて、吸収液から二酸化炭素を放出させる再生塔とを備えている。 Further, as the carbon dioxide recovery unit, for example, an absorption liquid such as an alkanolamine aqueous solution that absorbs carbon dioxide at an absorption temperature of about 40 degrees and releases carbon dioxide at a regeneration temperature of about 120 degrees, for example, is discharged. What collects carbon dioxide from gas is known (for example, refer to patent documents 1). This carbon dioxide recovery unit makes contact with the absorption liquid and the exhaust gas at the absorption temperature, absorbs the carbon dioxide in the exhaust gas into the absorption liquid, and steam generated in order to obtain power in the power generation system as a heat source And a regeneration tower that raises the temperature of the absorbent above the regeneration temperature and releases carbon dioxide from the absorbent.
しかしながら、前述した発電システムでは、電力を得るために発生させた水蒸気等を利用して、吸収液の温度を吸収温度から再生温度以上まで上昇させるため、発電効率が低下するという問題があった。
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電効率を低下させずに排出ガスから二酸化炭素を回収できる発電システムを提供することにある。
However, the power generation system described above has a problem in that power generation efficiency is lowered because the temperature of the absorbing liquid is increased from the absorption temperature to the regeneration temperature or higher by using water vapor generated to obtain electric power.
This invention is made | formed in view of the subject which concerns, and the place made into the objective is providing the electric power generation system which can collect | recover carbon dioxide from exhaust gas, without reducing electric power generation efficiency.
前記課題を解決するため本発明の発電システムは、燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池を収容する圧力容器と、前記圧力容器に冷媒ガスを供給し、前記電気化学反応で発熱する前記燃料電池の温度を作動温度に維持する冷媒ガス供給部と、吸収温度で二酸化炭素を吸収し、前記吸収温度よりも高い再生温度で二酸化炭素を放出する吸収液に、前記吸収温度において二酸化炭素を含むガスを接触させる吸収塔と、前記圧力容器から排出された前記冷媒ガスと、前記吸収塔から排出された前記吸収液とを熱交換させ、前記吸収液を前記再生温度以上に加熱する熱交換器と、加熱された前記吸収液から二酸化炭素を放出させる再生塔と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a power generation system of the present invention includes a fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant, a pressure vessel that houses the fuel cell, and a refrigerant gas that is supplied to the pressure vessel. A refrigerant gas supply unit that maintains the temperature of the fuel cell that generates heat by the electrochemical reaction at an operating temperature, and an absorbing solution that absorbs carbon dioxide at an absorption temperature and releases carbon dioxide at a regeneration temperature higher than the absorption temperature. Heat exchange between the absorption tower for contacting a gas containing carbon dioxide at the absorption temperature, the refrigerant gas discharged from the pressure vessel, and the absorption liquid discharged from the absorption tower, It is characterized by comprising a heat exchanger for heating above the regeneration temperature, and a regeneration tower for releasing carbon dioxide from the heated absorption liquid.
この発電システムでは、圧力容器から排出される燃料電池を冷却した後の冷媒ガスと、吸収塔から排出される吸収温度の吸収液とを熱交換器で熱交換させることによって、吸収液の温度を再生温度以上に上昇させる。つまり、発電システムにおいて電力を得るために発生させた燃料ガスや水蒸気等のエネルギーを利用することなく、吸収液を再生温度以上に加熱して再生塔で二酸化炭素を放出させることができる。よって、この発電システムでは、発電効率を低下させることなく排出ガス中の二酸化炭素を回収することができる。 In this power generation system, the refrigerant gas after cooling the fuel cell discharged from the pressure vessel and the absorption liquid at the absorption temperature discharged from the absorption tower are heat-exchanged by a heat exchanger, thereby adjusting the temperature of the absorption liquid. Raise above regeneration temperature. That is, the carbon dioxide can be released in the regeneration tower by heating the absorption liquid to the regeneration temperature or higher without using energy such as fuel gas or water vapor generated to obtain power in the power generation system. Therefore, in this power generation system, carbon dioxide in the exhaust gas can be recovered without reducing the power generation efficiency.
この発電システムでは、燃料電池として、例えば、溶融状態の炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC;Molten Carbonate Fuel Cell)が好適に用いられる。このMCFCの作動温度は約650度であるが、MCFCの温度は作動時の電気化学反応によって上昇する。このため、MCFCを収容する圧力容器には、MCFCを作動温度に維持するように冷媒ガスが供給されている。 In this power generation system, for example, a molten carbonate fuel cell (MCFC) using a molten carbonate as an electrolyte is preferably used as the fuel cell. The operating temperature of this MCFC is about 650 degrees, but the temperature of MCFC rises due to the electrochemical reaction during operation. For this reason, refrigerant gas is supplied to the pressure vessel that houses the MCFC so as to maintain the MCFC at the operating temperature.
かかる発電システムでは、前記吸収塔から排出された前記吸収液を加熱して前記再生塔に排出すると共に、前記再生塔から排出された前記吸収液を、前記吸収塔から排出された前記吸収液によって冷却して前記吸収塔へ供給する他の熱交換器を設け、前記熱交換器は、前記再生塔に貯留された前記吸収液を前記再生温度以上に加熱するものであることが好ましい。
この発電システムでは、吸収塔から排出された吸収温度の吸収液を、再生塔から排出された再生温度の吸収液によって加熱してから再生塔に供給し貯留することができる。また、この貯留された吸収液を、燃料電池を冷却した後の冷媒ガスによって加熱することで、再生温度以上に維持することができる。これによって、吸収液を再生温度以上に加熱する熱交換器の負荷を軽減することができ、吸収液を再生温度に維持するための構成を簡素化することができる。また、再生塔から排出された再生温度の吸収液を、吸収塔から排出された吸収温度の吸収液によって冷却した後に、吸収塔に供給することで、吸収液に再度二酸化炭素を吸収させることができる。つまり、吸収液を、効率よく加熱及び冷却しながら、吸収塔と再生塔との間で循環させることができるため、発電システムの効率を向上させることができる。
In such a power generation system, the absorption liquid discharged from the absorption tower is heated and discharged to the regeneration tower, and the absorption liquid discharged from the regeneration tower is absorbed by the absorption liquid discharged from the absorption tower. It is preferable that another heat exchanger that is cooled and supplied to the absorption tower is provided, and the heat exchanger heats the absorption liquid stored in the regeneration tower to the regeneration temperature or higher.
In this power generation system, the absorption liquid at the absorption temperature discharged from the absorption tower can be heated by the absorption liquid at the regeneration temperature discharged from the regeneration tower and then supplied to the regeneration tower for storage. Moreover, the stored absorption liquid can be maintained at the regeneration temperature or higher by heating with the refrigerant gas after cooling the fuel cell. This can reduce the load on the heat exchanger that heats the absorbing liquid to the regeneration temperature or higher, and can simplify the configuration for maintaining the absorbing liquid at the regeneration temperature. In addition, after the absorption liquid at the regeneration temperature discharged from the regeneration tower is cooled by the absorption liquid at the absorption temperature discharged from the absorption tower, the absorption liquid can absorb carbon dioxide again by supplying the absorption liquid to the absorption tower. it can. That is, the absorption liquid can be circulated between the absorption tower and the regeneration tower while being efficiently heated and cooled, so that the efficiency of the power generation system can be improved.
かかる発電システムにおいて、前記冷媒ガスは、前記燃料ガスとの間で燃焼反応を生じない不活性ガスであることが好ましい。
この発電システムでは、不活性ガスを冷媒ガスとして圧力容器内に供給する。このため、燃料電池から燃料ガスがリークした場合であっても、燃焼ガスが燃焼反応を起こすことを防止でき、発電システムの安全性を高めることができる。
In such a power generation system, the refrigerant gas is preferably an inert gas that does not cause a combustion reaction with the fuel gas.
In this power generation system, an inert gas is supplied into the pressure vessel as a refrigerant gas. For this reason, even when the fuel gas leaks from the fuel cell, the combustion gas can be prevented from causing a combustion reaction, and the safety of the power generation system can be improved.
かかる発電システムは、石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させて前記燃料ガスを生成するガス化部と、空気から酸素と窒素とを分離する分離部と、前記分離部で分離された酸素を前記ガス化部に供給する酸素供給部と、を備え、前記冷媒ガス供給部は、前記分離部で分離された窒素を前記冷媒ガスとして、前記圧力容器に供給することが好ましい。
この発電システムでは、分離部において副生される窒素が、燃料電池を冷却する冷媒ガスとして燃料電池を収容する圧力容器内に供給される。そして、燃料電池を冷却して温度が上昇した窒素によって、吸収液を再生温度以上に加熱することができる。このため、発電効率を低下させることなく排出ガス中の二酸化炭素を回収することができる。また、分離部からの窒素を有効に活用することができ、発電システムの効率を向上させることができる。また、不活性ガスである窒素が冷媒ガスとして圧力容器内に供給されるため、燃料電池から燃料ガスがリークした場合であっても、燃焼ガスが燃焼反応を起こすことを防止でき、安全性を高めることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システムの設備を簡素化することができる。
Such a power generation system is separated by a gasification unit that reacts oxygen with carbon obtained by pyrolysis of coal to generate the fuel gas, a separation unit that separates oxygen and nitrogen from air, and the separation unit. It is preferable that the refrigerant gas supply unit supplies the pressure vessel with nitrogen separated by the separation unit as the refrigerant gas.
In this power generation system, nitrogen by-produced in the separation unit is supplied as a refrigerant gas for cooling the fuel cell into a pressure vessel that houses the fuel cell. Then, the absorbing liquid can be heated to a regeneration temperature or higher by nitrogen whose temperature has been increased by cooling the fuel cell. For this reason, the carbon dioxide in exhaust gas can be collect | recovered, without reducing electric power generation efficiency. Moreover, the nitrogen from a separation part can be utilized effectively and the efficiency of a power generation system can be improved. In addition, since nitrogen, which is an inert gas, is supplied into the pressure vessel as a refrigerant gas, even if the fuel gas leaks from the fuel cell, the combustion gas can be prevented from causing a combustion reaction, and safety can be improved. Can be increased. Moreover, since it is not necessary to separately provide an apparatus for generating refrigerant gas, a storage tank for storing the procured refrigerant gas, etc., the facilities of the power generation system can be simplified.
かかる発電システムにおいて、前記冷媒ガス供給部は、前記燃料電池から排出された燃料電池排ガスを前記作動温度以下に冷却して前記冷媒ガスとする冷却器を含むことが好ましい。
この発電システムでは、燃料電池から排出される燃料電池排ガスが、冷却器によって作動温度以下に冷却されることで、燃料電池を冷却する冷媒ガスとなる。そして、燃料電池を冷却して温度が上昇した燃料電池排ガスによって、吸収液を再生温度以上に加熱することができる。このため、発電効率を低下させることなく排出ガス中の二酸化炭素を回収することができる。また、別途冷媒ガスを調達したり生成したりする必要がないため、発電システムの効率を向上させることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システムの設備を簡素化することができる。
In such a power generation system, it is preferable that the refrigerant gas supply unit includes a cooler that cools the fuel cell exhaust gas discharged from the fuel cell to the operating temperature or less to obtain the refrigerant gas.
In this power generation system, the fuel cell exhaust gas discharged from the fuel cell is cooled to below the operating temperature by the cooler, and becomes a refrigerant gas for cooling the fuel cell. Then, the absorbing liquid can be heated to the regeneration temperature or higher by the fuel cell exhaust gas whose temperature has been increased by cooling the fuel cell. For this reason, the carbon dioxide in exhaust gas can be collect | recovered, without reducing electric power generation efficiency. Moreover, since it is not necessary to separately procure or generate refrigerant gas, the efficiency of the power generation system can be improved. Moreover, since it is not necessary to separately provide an apparatus for generating refrigerant gas, a storage tank for storing the procured refrigerant gas, etc., the facilities of the power generation system can be simplified.
本発明によれば、発電効率を低下させずに排出ガスから二酸化炭素を回収できる発電システムを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric power generation system which can collect | recover carbon dioxide from exhaust gas, without reducing electric power generation efficiency can be provided.
===第1の実施形態に係る発電システムについて===
以下、図1及び図2を参照しつつ、本発明の第1の実施形態に係る発電システム1について説明する。図1は、発電システム1の構成例を示す模式図である。図2は、図1に示す発電システム1に備えられた溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)200の電気化学反応について説明するための図である。
=== About the power generation system according to the first embodiment ===
Hereinafter, the power generation system 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the power generation system 1. FIG. 2 is a diagram for explaining an electrochemical reaction of a molten carbonate fuel cell (MCFC) 200 provided in the power generation system 1 shown in FIG.
発電システム1は、MCFC200及び圧力容器210を有する第1発電部20と、深冷分離装置30(冷媒ガス供給部、分離部、酸素供給部)と、吸収塔601、熱交換器603(熱交換器)、再生塔602を備える二酸化炭素回収部60とを備えている。更に、発電システム1は、石炭をガス化して燃料ガスを生成するガス化部10と、後述するMCFC200のカソード201から排出されるカソード排ガスを利用して発電する第2発電部40と、水蒸気を利用して発電する第3発電部50とを備えている。
The power generation system 1 includes a first
この発電システム1では、MCFC200、第2発電部40、及び、第3発電部50による複合的な発電を行う。すなわち、ガス化部10で生成された燃料ガスを利用して第1発電部20のMCFC200を作動させる。また、カソード排ガスを用いて第2発電部40を駆動させ、ガス化部10やMCFC200からの熱で水蒸気を発生させて第3発電部50を駆動させる。そして、後述するMCFC200のアノード202から排出されるアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素回収部60によって回収する。以下、発電システム1の各構成について夫々説明する。
In the power generation system 1, composite power generation is performed by the MCFC 200, the second
<<<深冷分離装置>>>
深冷分離装置30は、二酸化炭素及び水分を吸着除去した空気を酸素及び窒素が液化するまで冷却した後、酸素が液体の状態を維持し、窒素が気体となるまで温度を上昇させることで、空気から酸素と窒素とを分離する。よって、この深冷分離装置30では、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素が得られる。そして、深冷分離装置30は、得られた酸素をガス化部10に供給すると共に、得られた窒素をMCFC200の冷媒ガスとして圧力容器210内に供給する。この際、酸素及び窒素は圧縮された状態であるため、深冷分離装置30は、酸素をガス化部10へ効率よく搬送できると共に、窒素を圧力容器210内に効率よく搬送できる。また、深冷分離装置30は、冷却された状態の窒素を冷媒ガスとして圧力容器210内に供給できるため、MCFC200を効率よく冷却して作動温度に維持できる。よって、発電システム1の効率を向上させることができる。
<<< Cryogenic separator >>>
The
<<<ガス化部>>>
ガス化部10は、石炭ガス化炉100と、蒸気発生部110と、脱塵装置120と、脱硫装置130と、シフト反応器140とを備えている。
<<< Gasification Department >>>
The
石炭ガス化炉100は、石炭を炭素等に熱分解し、得られた炭素と深冷分離装置30から供給された酸素とを反応させて水素、一酸化炭素、二酸化炭素等を含む中間燃料ガスを生成する。
The
水蒸気発生部110は、石炭ガス化炉100から排出された中間燃料ガスの排熱を利用して水蒸気を発生させるもので、ガス冷却器101と、復水器102とを備えている。ガス冷却器101は、復水器102から供給される水と、中間燃料ガスとを熱交換させることで、中間燃料ガスを冷却すると共に、水蒸気を発生させる。尚、ガス冷却器101で発生させた水蒸気は、一部がシフト反応器140へ供給され、残りが第3発電部50に供給される。復水器102は、第3発電部50で使用された水蒸気を回収して液体の水に変化させ、再度ガス冷却器101へ供給する。つまり、水蒸気発生部110では、ガス冷却器101と復水器102とを、水が液体及び気体に変化しながら循環している。
The steam generation unit 110 generates steam by using the exhaust heat of the intermediate fuel gas discharged from the
脱塵装置120は、例えばポーラスフィルタを備え、ポーラスフィルタにガス冷却器101から排出された中間燃料ガスを通過させることによって、中間燃料ガスに含まれる固形の不純物を除去する。脱硫装置130は、例えば、脱塵装置120から排出された中間燃料ガスと、石灰水や炭酸カルシウム等の硫黄吸収剤とを接触させて、中間燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する。
The
シフト反応器140は、次式に示すように、脱硫装置130から排出される中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、ガス冷却器101から供給される水蒸気とをシフト反応させて、二酸化炭素及び水素を発生させる。
CO+H2O→CO2+H2
The
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
このシフト反応器140では、一酸化炭素が減少し水素が増加するように、中間燃料ガスの組成を変化させて燃料ガスを生成する。尚、シフト反応器140から排出される燃料ガスは、例えば、約650度のMCFC200の作動温度(以下単に作動温度と称する)と略同じ温度となる。そして、第1発電部20のMCFC200に供給される。
In the
<<<第1発電部>>>
第1発電部20は、MCFC200と、圧力容器210と、調整器220と、燃焼器230と、コンプレッサ240と、循環ブロワ250と、熱交換器260とを備えている。
<<< First power generation unit >>>
The first
コンプレッサ240は、MCFC200に空気を搬送する。MCFC200は、例えばシフト反応器140から燃料ガスが供給されることによって作動温度となり、この作動温度において、燃料ガスと、コンプレッサ240から供給される空気とを電気化学反応させて発電する。
The
このMCFC200では、燃料ガス及び空気を効率よく電気化学反応させて発電効率を高めるべく、加圧された燃料ガス及び空気が供給されて加圧運転を行う。
In this
例えば、MCFC200は、図2に示すように、多孔質の酸化ニッケル板からなるカソード201と、多孔質のニッケル板からなるアノード202と、炭酸リチウム及び炭酸ナトリウムの混合物の炭酸塩からなる電解質203とを有している。そして、カソード201とアノード202との間は、MCFC200で得られる電力を消費する負荷205を介して、外部回路204により接続されている。
For example, as shown in FIG. 2, the
カソード201では、コンプレッサ240から供給される空気に含まれる酸素(O2,酸化剤)及び二酸化炭素(CO2,酸化剤)と、外部回路204から供給される電子(2e−)とが反応して、炭酸イオン(CO3 2−)が発生する。また、カソード201からは、後述する燃焼排ガスに由来する水蒸気や、未反応の二酸化炭素及び酸素等を含む空気がカソード排ガスとして排出される。このカソード排ガスは、例えば作動温度となっている。カソード排ガスの一部は、燃焼器230に供給される。残りのカソード排ガスの一部は、循環ブロア250によって、カソード201に戻され、MCFC200の電気化学反応に再利用される。このように、カソード排ガスの一部をカソード201に戻すことで、カソード201に供給される空気の温度を作動温度付近まで上昇させることができ、発電システム1の効率を高めることができる。残りのカソード排ガスは、第2発電部40に供給される。
At the
電解質203は、作動温度において溶融状態となり、カソード201で発生した炭酸イオンをアノード202に移動させる。
The
アノード202では、シフト反応器140から供給された燃料ガス中の水素(H2)と、電解質203を介してカソード201から移動してきた炭酸イオンとが反応することで、二酸化炭素(CO2)及び水蒸気(H2O)が発生し、同時に電子(2e−)が放出される。放出された電子は、外部回路204を通ってカソード201に移動し、これが繰り返されることで電気が発生する。また、アノード202からは、二酸化炭素及び水蒸気と、未反応の燃料ガスとを主に含み、例えば作動温度となったアノード排ガスが排出される。尚、MCFC200では、カソード201に供給された二酸化炭素が炭酸イオンとなってアノード202へ移動するため、二酸化炭素が濃縮されたアノード排ガスがアノード202から排出される。このアノード排ガスの一部は、燃焼器230に供給され、残りのアノード排ガスは、熱交換器260を介して第3発電部50に供給される。
In the
燃焼器230は、カソード排ガス中の酸素とアノード排ガス中の燃料ガスとを燃焼反応させ、二酸化炭素及び水蒸気を主に含む燃焼排ガスを排出する。燃焼排ガスは、循環ブロア250によって、カソード201に供給される。これによって、カソード201に供給される二酸化炭素の濃度を増加させてMCFC200の発電効率を高めることができる。
The
循環ブロア250は、前述したようにカソード排ガスの一部及び燃焼排ガスを循環させてカソード201に供給する。
As described above, the
圧力容器210は、MCFC200及び燃焼器230を収容している。また、圧力容器210の内部には、作動温度よりも低い温度の窒素が冷媒ガスとして、深冷分離装置30から供給されている。この冷媒ガスによって、MCFC200では、電気化学反応の発熱に伴う温度上昇が抑制され、作動温度に維持される。よって、深冷分離装置30で空気から酸素を分離する際に副生される窒素を、MCFC200の冷媒ガスとして有効に利用でき、発電システム1の発電効率を向上させることができる。更に、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がないため、発電システム1の設備を簡素化できる。
The
尚、圧力容器210内に供給された窒素は、MCFC200を冷却することで、例えば約300度〜400度となり、調整器220を介して、後述する二酸化炭素回収部60の熱交換器603に供給される。
Incidentally, the nitrogen supplied into the
調整器220は、例えば流量調整弁からなり、圧力容器210から排出される冷媒ガスの流量を調整して、圧力容器210内の圧力を、MCFC200に供給される燃料ガス及び空気の圧力と同程度若しくはこの圧力よりも高い圧力に調整する。これによって、MCFC200の内部から外部へ燃料ガス等がリークすることを防止でき、MCFC200を効率よく加圧運転することができる。その結果、MCFC200の発電効率を高め、発電システム1の効率を向上させることができる。
The
熱交換器260は、例えば作動温度のアノード排ガスと、後述する二酸化炭素回収部60の吸収塔601から排出されるCO2分離ガスとを熱交換させ、アノード排ガスを冷却すると共に、CO2分離ガスを加熱する。尚、熱交換器260から排出されたアノード排ガスは第3発電部50に供給され、CO2分離ガスはアノード202に供給される。
The
<<<第2発電部>>>
第2発電部40は、カソード排ガスを利用して発電するものであり、同一の回転軸に接続された、ガスタービン401及び発電機402を備えている。ガスタービン401は、カソード排ガスが供給されることによって回転軸を回転させる。発電機402は、ガスタービン401が回転軸を回転させることによって発電する。尚、コンプレッサ240も、ガスタービン401及び発電機402と同一の回転軸に接続されており、ガスタービン401の回転に連動して駆動される。
<<< Second power generation section >>>
The second
<<<第3発電部>>>
前述したように第3発電部50は、水蒸気を利用して発電する。すなわち、第1発電部20の熱交換器260から排出されるアノード排ガス及び第2発電部40のガスタービン401から排出されるカソード排ガスを利用して発生させた水蒸気と、ガス化部10のガス冷却器101から排出される水蒸気とを用いて発電する。
<<< Third power generation section >>>
As described above, the third
この第3発電部50は、排熱回収ボイラ501、502と、気水分離器503と、循環ポンプ504と、発電機505と、蒸気タービン506、507と、復水器508とを備えている。
The third
排熱回収ボイラ501は、熱交換器260から排出されたアノード排ガスと、循環ポンプ504によって供給される水とを熱交換させることで、アノード排ガスを例えば約40度(吸収温度)に冷却すると共に、水蒸気を発生させる。尚、排熱回収ボイラ501で発生させた水蒸気は、蒸気タービン507に供給される。また、排熱回収ボイラ501で例えば吸収温度とされたアノード排ガスは、二酸化炭素回収部60の吸収塔601に供給される。
The exhaust
排熱回収ボイラ502は、ガスタービン401から排出されるカソード排ガスと、循環ポンプ504によって供給される水とを熱交換させることで、カソード排ガスを冷却すると共に、水蒸気を発生させる。そして、排熱回収ボイラ502で発生させた水蒸気は、排熱回収ボイラ501で発生させた水蒸気と共に、蒸気タービン507に供給される。また、排熱回収ボイラ502で冷却されたカソード排ガスは、気水分離器503に供給される。
The exhaust
気水分離器503は、排熱回収ボイラ502で冷却されることで液化した水をカソード排ガスから分離する。尚、気水分離器503で水が分離されたカソード排ガスは排気される。また、気水分離器503で取り出された水は循環ポンプ504によって排熱回収ボイラ501、502に供給される。
The
蒸気タービン507は、発電機505と同一の回転軸に接続され、排熱回収ボイラ501、502から供給される水蒸気によって回転軸を回転させる。尚、蒸気タービン507から排出された水蒸気は、復水器508に供給される。
The
蒸気タービン506は、蒸気タービン507及び発電機505と同一の回転軸に接続され、ガス化部10のガス冷却器101から供給される水蒸気によって回転軸を回転させる。尚、蒸気タービン506から排出された水蒸気は、ガス化部10の復水器102に供給される。発電機505は、蒸気タービン506、507が回転軸を回転させることで発電する。
The steam turbine 506 is connected to the same rotating shaft as the
復水器508は、蒸気タービン507から供給された水蒸気を液体の水に変化させる。復水器508から排出される水は、循環ポンプ504によって、気水分離器503から排出される水と共に、排熱回収ボイラ501、502に供給される。
The
<<<二酸化炭素回収部>>>
二酸化炭素回収部60は、アルカノールアミン水溶液等の吸収液を利用して、第3発電部50の排熱回収ボイラ501から排出されるアノード排ガスから二酸化炭素を回収する。吸収液は、約40度の吸収温度ではアミノ基に二酸化炭素が結合するため、二酸化炭素を吸収する。また、吸収液は、約120度の再生温度においてアミノ基に結合していた二酸化炭素が脱離するため、二酸化炭素を放出する。
<<< CO2 recovery department >>>
The carbon
二酸化炭素回収部60は、吸収塔601と、再生塔602と、熱交換器603、熱交換器604(他の熱交換器)と、分離器605とを備えている。二酸化炭素回収部60において吸収液は、吸収塔601で二酸化炭素を吸収した後、熱交換器603、604で再生温度以上に加熱され、再生塔602で二酸化炭素を放出する。そして、再度、熱交換器604で冷却されて、吸収塔601に戻される。
The carbon
吸収塔601では、吸収液と、排熱回収ボイラ501によって例えば吸収温度に冷却されたアノード排ガスとを接触させ、次式に示すように、アノード排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる。尚、式中に示すRはアルキル基である。
R−NH2+H2O+CO2→R−NH3HCO3
In the
R—NH 2 + H 2 O + CO 2 → R—NH 3 HCO 3
吸収塔601によってアノード排ガスから二酸化炭素が分離された結果、主に水素及び一酸化炭素を含むCO2分離ガスが生成される。このCO2分離ガスは、第1発電部20の熱交換器260によって加熱された後、MCFC200のアノード202に供給されて、電気化学反応に再利用される。これによって、発電システム1の効率を向上させることができる。
As a result of carbon dioxide being separated from the anode exhaust gas by the
熱交換器604は、吸収塔601から排出される吸収温度の吸収液と、再生塔602から排出される再生温度の吸収液とを熱交換させる。そして、熱交換器604は、吸収塔601から排出された吸収液を加熱して再生塔602に供給し、再生塔602から排出された吸収液を冷却して吸収塔601に供給する。
The
再生塔602では、熱交換器604によって吸収温度以上に加熱され、更に熱交換器603によって再生温度以上に維持される吸収液を貯留する。そして、再生塔602では、次式に示すように、吸収液から二酸化炭素を放出させる。尚、式中に示すRはアルキル基である。
R−NH3HCO3→R−NH2+H2O+CO2
In the
R—NH 3 HCO 3 → R—NH 2 + H 2 O + CO 2
再生塔602において、吸収液から放出された二酸化炭素は、水蒸気等の気体成分と共に分離器605に供給される。
In the
熱交換器603は、再生塔602に貯留される吸収液と、第1発電部20の調整器220から供給される約300度〜400度の冷媒ガスとを熱交換させ、再生塔602に貯留される吸収液を再生温度以上に維持する。熱交換器603によって、冷却された冷媒ガスは排気される。
The
分離器605は、再生塔602から供給された二酸化炭素及び水蒸気等を冷却して、水蒸気等を液化し、気液分離によって、二酸化炭素と水等とを分離する。分離器605によって分離された二酸化炭素は、例えば不図示のタンクなどに回収される。また、分離器605によって分離された水等は、再生塔602に戻される。
The
以上説明したように、第1の実施形態に係る発電システム1では、再生塔602から排出された再生温度の吸収液によって、吸収塔601から排出された吸収温度の吸収液を加熱してから再生塔602に供給し貯留することができる。また、この貯留された吸収液を、MCFC200を冷却することで例えば約300度〜400度となった冷媒ガスによって加熱して、再生温度に維持することができる。よって、発電システム1において電力を得るために発生させた燃料ガスや水蒸気等のエネルギーを利用することなく、再生塔602において吸収液から二酸化炭素を放出させることができる。その結果、発電効率を低下させることなく排出ガス中の二酸化炭素を回収することができ、発電システム1の効率を向上させることができる。また、吸収液を再生温度に維持する熱交換器603の負荷を軽減することができ、吸収液を再生温度に維持するための構成を簡素化することができる。
As described above, in the power generation system 1 according to the first embodiment, the absorption liquid at the absorption temperature discharged from the
また、発電システム1では、吸収塔601から排出された吸収温度の吸収液によって、再生塔602から排出された再生温度の吸収液を冷却してから吸収塔601に供給できるため、吸収液に再度二酸化炭素を吸収させることができる。よって、吸収液の排熱を利用して、吸収液を効率よく加熱及び冷却できると共に、吸収液を吸収塔601と再生塔602との間で循環させることができ、発電システム1の効率を向上させることができる
また、発電システム1では、MCFC200のアノード202から二酸化炭素が濃縮されたアノード排ガスが排出され、このアノード排ガスが二酸化炭素回収部60の吸収塔601に供給されるため、効率よく二酸化炭素を回収することができる。
In the power generation system 1, the absorption liquid having the absorption temperature discharged from the
また、発電システム1では、深冷分離装置30によって、石炭ガス化炉100に供給する酸素を空気から分離する際に副生される窒素が、MCFC200を冷却する冷媒ガスとして圧力容器210内に供給される。このため、深冷分離装置30で副生される窒素を有効に活用することができ、発電システム1の効率を向上させることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システム1の設備を簡素化することができる。
In the power generation system 1, nitrogen produced as a by-product when the oxygen supplied to the
また、発電システム1では、深冷分離装置30からの窒素が冷媒ガスとして圧力容器210内に供給されるため、MCFC200から燃料ガスがリークした場合であっても、燃焼ガスが燃焼反応を起こすことを防止でき、発電システム1の安全性を高めることができる。
Further, in the power generation system 1, since nitrogen from the
また、発電システム1では、深冷分離装置30によって、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素を得ることができるため、酸素を石炭ガス化炉100に効率よく搬送できると共に、窒素を圧力容器210に効率よく搬送することができる。また、圧力容器210に供給された窒素によってMCFC200を効率よく冷却することができる。
Further, in the power generation system 1, oxygen and nitrogen in a compressed and cooled state can be obtained by the
===第2の実施形態にかかる発電システムについて===
以下、図2及び図3を参照しつつ本発明の第2の実施形態にかかる発電システム2について説明する。図3は、発電システム2の構成例を示す模式図である。尚、図3において、図1に示す構成と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
=== About the power generation system according to the second embodiment ===
Hereinafter, the
発電システム2では、前述した発電システム1におけるガス化部10及び深冷分離装置30を備えていない。そして、前述した第1発電部20に更に燃料ガス調整部270を備えた第1発電部21を備えている。この発電システム2では、ガス化部10のシフト反応器140で生成される燃料ガスのかわりに、天然ガス等の燃料ガスが燃料ガス調整部270によって改質燃料ガスに調整された後、MCFC200のアノード202に供給される。
The
また、発電システム2では、深冷分離装置30から排出される窒素のかわりに、ガスタービン401から排出されたカソード排ガスを、排熱回収ボイラ502(冷却器)によって作動温度以下に冷却し、気水分離器503によって水と分離してから、冷媒ガスとして圧力容器210内に供給する。すなわち、発電システム2では、MCFC200と、排熱回収ボイラ502と、気水分離器503とが冷媒ガス供給部になる。尚、以下の説明において、MCFC200の冷媒ガスとなる、気水分離器503から排出された排ガスを気水分離排ガスと称する。
Further, in the
また、発電システム2では、前述した発電システム1における第3発電部50のかわりに第3発電部51を備えている。第3発電部51は、前述した第3発電部50における蒸気タービン506を備えていない点が相違する。
The
この発電システム2では、天然ガス等の燃料ガスを利用して第1発電部21のMCFC200を作動させる。また、MCFC200のカソード排ガスを用いて第2発電部40を駆動させ、MCFC200からの熱で発生させた水蒸気を用いて第3発電部51を駆動させる。そして、MCFC200のアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素回収部60によって回収する。この際、MCFC200を冷却した後の気水分離排ガスの熱によって、再生塔602に貯留される吸収液が再生温度以上に維持される。以下、前述した発電システム1の構成と異なる構成について説明する。
In the
<<<燃料ガス調整部>>>
燃料ガス調整部270は、圧力容器210内に収容され、燃料予熱器271と、改質器272と、加熱室273とを備えている。
<<< Fuel gas adjustment section >>
The fuel
燃料予熱器271は、天然ガス等の燃料ガスと、排熱回収ボイラ501で発生させた水蒸気の一部と、熱交換器260で加熱されたCO2分離ガスとの混合ガスが供給され、この混合ガスと改質器272から排出される改質燃料ガスとを熱交換させる。これによって混合ガスは加熱されて改質器272に供給され、改質燃料ガスは冷却されてアノード202に供給される。
The
改質器272では、次式に示すように、燃料予熱器271で加熱された混合ガスに含まれるメタン及び水蒸気が改質反応し、水素及び一酸化炭素が発生する。これによって、水素、一酸化炭素等を主に含む改質燃料ガスが生成される。
CH4+H2O→CO+3H2
In the
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
改質器272から排出された改質燃料ガスは、燃料予熱器271で例えば作動温度まで冷却された後、MCFC200のアノード202に供給される。
The reformed fuel gas discharged from the
加熱室273は、燃焼器230から供給される燃焼排ガスの熱によって、改質器272の温度を前述した改質反応に適した温度に維持する。加熱室273から排出された燃焼排ガスは循環ブロア250によって、カソード201に供給される。
The
<<<第3発電部>>>
第3発電部51では、排熱回収ボイラ501で発生させた水蒸気の残りが、蒸気タービン507に供給される。発電機505は、蒸気タービン507が排熱回収ボイラ501、502から供給される水蒸気によって回転軸を回転させることで発電する。気水分離器503から排出される気水分離排ガスの一部は、MCFC200を冷却する冷媒ガスとして圧力容器210に供給され、残りの気水分離排ガスは排気される。
<<< Third power generation section >>>
In the third power generation unit 51, the remaining steam generated by the exhaust
尚、MCFC200を冷却することで、温度が上昇した気水分離排ガスは、圧力容器210から調整器220を介して二酸化炭素回収部60の熱交換器603に供給される。
Note that the gas-water separation exhaust gas whose temperature has been increased by cooling the
以上より、第2の実施形態に係る発電システム2では、熱交換器603において、気水分離排ガスと、再生塔602に貯留される吸収液とを熱交換させることによって、再生塔602に貯留される吸収液を再生温度以上に維持できる。よって、発電システム2では、電力を得るために発生させた水蒸気等を利用することなく、吸収液の温度を再生温度以上に維持できるため、発電効率を低下させることなく、排出ガスから二酸化炭素を回収できる。また、別途冷媒ガスを調達したり生成したりする必要がないため、発電システム2の効率を向上させることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システム2の設備を簡素化することができる。
As described above, in the
===その他の実施形態===
前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
=== Other Embodiments ===
The above-described embodiments are intended to facilitate understanding of the present invention, and are not intended to limit the present invention. The present invention is changed and improved without departing from the gist thereof, and the present invention includes equivalents thereof.
例えば、前述した発電システム1、2では、深冷分離装置30によって空気から酸素と窒素とを分離することとした。しかし、特にこれに限定されるものではなく、例えば、高分子膜中のガス成分毎の透過速度の違いを利用する膜分離方式等によって、空気を酸素と窒素とに分離してもよい。
For example, in the
また、前述した発電システム2では、天然ガス等の燃料ガスを燃料ガス調整部270によって改質燃料ガスに調整して、MCFC200のアノード202に供給することとした。しかし、特にこれに限定されるものではなく、例えば、水素の原料となる炭化水素が燃料ガス調整部270を介してMCFC200のアノード202に供給されればよい。
In the
1、2…発電システム 10…ガス化部 20、21…第1発電部
30…深冷分離装置 40…第2発電部 50、51…第3発電部
60…二酸化炭素回収部 100…石炭ガス化炉 101…ガス冷却器
102、508…復水器 110…水蒸気発生部 120…脱塵装置
130…脱硫装置 140…シフト反応器 200…MCFC
201…カソード 202…アノード 203…電解質
204…外部回路 205…負荷 210…圧力容器
220…調整器 230…燃焼器 240…コンプレッサ
250…循環ブロア 260、603、604…熱交換器
270…燃料ガス調整部 271…燃料予熱器 272…改質器
273…加熱室 401…ガスタービン 402、505…発電機
501、502…排熱回収ボイラ 503…気水分離器
504…循環ポンプ 506、507…蒸気タービン
601…吸収塔 602…再生塔 605…分離器
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池を収容する圧力容器と、
前記圧力容器に冷媒ガスを供給し、前記電気化学反応で発熱する前記燃料電池の温度を作動温度に維持する冷媒ガス供給部と、
吸収温度で二酸化炭素を吸収し、前記吸収温度よりも高い再生温度で二酸化炭素を放出する吸収液に、前記吸収温度において二酸化炭素を含むガスを接触させる吸収塔と、
前記圧力容器から排出された前記冷媒ガスと、前記吸収塔から排出された前記吸収液とを熱交換させ、前記吸収液を前記再生温度以上に加熱する熱交換器と、
加熱された前記吸収液から二酸化炭素を放出させる再生塔と、
を備えることを特徴とする発電システム。 A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant; and
A pressure vessel containing the fuel cell;
Supplying a refrigerant gas to the pressure vessel, and maintaining a temperature of the fuel cell that generates heat by the electrochemical reaction at an operating temperature; and
An absorption tower that absorbs carbon dioxide at an absorption temperature and contacts a gas containing carbon dioxide at the absorption temperature with an absorption liquid that releases carbon dioxide at a regeneration temperature higher than the absorption temperature;
A heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant gas discharged from the pressure vessel and the absorption liquid discharged from the absorption tower, and heats the absorption liquid to the regeneration temperature or higher;
A regeneration tower for releasing carbon dioxide from the heated absorption liquid;
A power generation system comprising:
前記熱交換器は、
前記再生塔に貯留された前記吸収液を前記再生温度以上に加熱するものであることを特徴とする請求項1に記載の発電システム。 The absorption liquid discharged from the absorption tower is heated and discharged to the regeneration tower, and the absorption liquid discharged from the regeneration tower is cooled by the absorption liquid discharged from the absorption tower to absorb the absorption. Install another heat exchanger to supply the tower,
The heat exchanger is
The power generation system according to claim 1, wherein the absorption liquid stored in the regeneration tower is heated to the regeneration temperature or higher.
空気から酸素と窒素とを分離する分離部と、
前記分離部で分離された酸素を前記ガス化部に供給する酸素供給部と、を備え、
前記冷媒ガス供給部は、前記分離部で分離された窒素を前記冷媒ガスとして、前記圧力容器に供給することを特徴とする請求項1に記載の発電システム。 A gasification unit that generates oxygen by reacting carbon with carbon obtained by pyrolysis of coal to generate the fuel gas;
A separation unit for separating oxygen and nitrogen from air;
An oxygen supply unit for supplying oxygen separated in the separation unit to the gasification unit,
The power generation system according to claim 1, wherein the refrigerant gas supply unit supplies nitrogen separated by the separation unit as the refrigerant gas to the pressure vessel.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013012448A (en) * | 2011-06-30 | 2013-01-17 | Toshiba Corp | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
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CN113594522A (en) * | 2021-08-09 | 2021-11-02 | 华能国际电力股份有限公司 | Power generation system of molten carbonate fuel cell |
-
2009
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