JP2013257125A

JP2013257125A - 次世代カーボンフリー発電プラント及び次世代カーボンフリー発電方法並びに次世代カーボンフリー発電プラント及び次世代カーボンフリー発電方法に利用する尿素水

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Publication number: JP2013257125A
Application number: JP2012147776A
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Inventors: Takeshi Hatanaka; 武史畑中
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Abstract

【課題】地球温暖化対策に有効な次世代クリーンエネルギー発電プラント及び次世代クリーンエネルギー発電方法を提供する。
【解決手段】ボイラ本体１２と、ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と水素リッチアンモニアとを燃焼させてボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８と、尿素水を供給する尿素水供給源６０と、ボイラ本体１２に隣接して配置されていて尿素水を加水分解してアンモニアを生成するとともにアンモニアの一部を水素と窒素とに転化して水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクター２２と、アンモニアの残部と水素リッチガスとの混合ガスを水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ライン２１と、高圧蒸気により駆動される動力装置４０と、動力装置により駆動されて発電を行う発電機５０とを備え、クリーンエネルギーによる発電を可能とする。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

この発明は火力発電プラント及び火力発電方法に関し、特に、地球環境に優しい新しいエネルギー資源を利用した発電プラント及び発電方法に関する。

従来技術

世界的な電力需要の拡大に伴い、電力不足が深刻な問題となっている。加えて、環境問題における二酸化炭素排出量削減の課題、さらには、化石燃料消費の削減と再生可能エネルギーへの転換が大きな課題となっている。その有効な解決策として、低炭素化社会に向けた環境に優しい新しいエネルギー資源としてアンモニア及び水素が注目されている。

特許文献１には、液体アンモニアリサーバから供給された液体アンモニアをディーゼルエンジン、ボイラ及びガスタービン等のエネルギー装置の燃料として供給する装置及び方法が開示され、その中で、液体アンモニアリサーバから供給された液体アンモニアをアンモニア加熱器で加熱し、次いで、燃料油タンクから供給された燃料油と混合してアンモニアと燃料油からなるエマルジョン燃料を生成してボイラやエンジンに供給するようにした燃料供給システムが提案されている。

特許文献２には、水分解ガス発生装置をボイラ本体に設置し、水を分解して得た水素ガスと酸素ガスとをボイラ本体内の水中に吹き込んで気体塊を形成し、その気体塊内に水をスプレーしながら、気体塊内にて火花を連続的に発生させることにより効率的に蒸気を発生させるようにして燃料コスト低減を図った環境に優しいボイラ本体が提案されている。

米国公開特許公報２０１０／０２８８２１１号日本国特許第４００２３５０号

ところで、特許文献１に開示された燃料供給システムでは、液体アンモニアリサーバに貯蔵した液体アンモニアを燃料の一部として利用している。アンモニア自体は天然ガスと二酸化炭素を原料として生産され、燃焼時には水と窒素のみが排出されるため、地球環境に優しいエネルギー源として、近年、最も注目されている。しかし、液体アンモニアは火災・爆発の危険性が高い上に人体に有毒であり、しかも金属腐食性が高い。そのため、液体アンモニアの使用には関連部品の耐久性の維持が困難であり、燃料供給システムの安全性や信頼性に大きな課題が残っていた。さらに、アンモニアは難燃性で燃焼速度も遅いため、未燃アンモニアが排出されやすい。その解決策として、アンモニアを燃料油と混合して得たエマルジョン燃料を燃焼させるようにしていたため、化石燃料への依存度を下げて地球環境保全に貢献させることができなかった。

特許文献２に開示されたボイラ本体において、水分解ガス発生装置では、攪拌槽に水素化ニッケル（ＮｉＨ２）が添加された水（Ｈ_２Ｏ）が貯留されていて攪拌羽根によって攪拌される。攪拌槽から取り出した水は加熱手段によって加熱されて高温水となり、連続液体供給型遠心分離機の処理槽に送られ、高速回転モータの回転によって水分子の水素原子と酸素原子の結合を解離させる構造となっている。このボイラ本体は、第１に、極めて高価な水素化ニッケルを大量に消耗し、第２に、高速回転モータの電力消費が大きい、第３に、部品点数が多いため、装置が複雑化すると共に生産コストが上昇する。特に、高価な水素化ニッケルの大量使用により、ボイラ本体のランニングコストが大幅に上昇する。したがって、このようなボイラ本体を広く普及させて温暖化ガス排出抑制に利用することが困難となっていた。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、安全性や信頼性が高く、しかも、地球温暖化対策に有効な次世代カーボンフリー発電プラント及び次世代カーボンフリー発電方法並びに次世代カーボンフリー発電プラント及び次世代カーボンフリー発電方法に利用する尿素水を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電プラントが、ボイラ本体と、前記ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させて前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともに前記アンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクターと、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記水素リッチアンモニアとして前記高温の水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ラインと、前記高圧蒸気により駆動される動力装置と、前記動力装置により駆動されて発電を行う発電機とを備えることを要旨とする。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、前記ボイラ本体内に収納されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される第１及び第２伝熱部材と、前記第１伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温のアンモニアを生成する加水分解部と、前記第２伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解触媒を備えたアンモニア分解部とことを要旨とする。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１又は２記載の構成に加え、前記ボイラ本体に装着されていて前記燃焼用空気と炭素質燃料とを燃焼させて前記高圧蒸気を発生させる炭素質燃料燃焼バーナと、前記炭素質燃料燃焼バーナに炭素質燃料を供給する炭素質燃料供給タンクと、前記炭素質燃料燃焼バーナへの前記炭素質燃料の供給流量を制御する流量制御とをさらに備えることを要旨とする。

請求項４に記載された発明によれば、請求項１乃至３記載の構成に加え、前記ボイラ本体と前記尿素水供給ラインとの間に接続されたパージガス供給ラインと、前記パージガス供給ラインに設置されたパージガス供給制御弁とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターへの前記尿素水の供給が遮断されたときに前記パージガス供給制御弁が前記高圧蒸気の一部をパージガスとして前記尿素水供給ライン、前記水素リッチアンモニア生成リアクター、前記水素リッチアンモニア供給ライン及び前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに導入して未反応尿素及び残留ガスを排出することを要旨とする。

請求項５に記載された発明によれば、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、ケーシングと、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水供給源から供給された前記尿素水を導入する尿素水吸入ポートと、前記尿素水を加水分解して前記アンモニアを生成する加水分解部と、前記加水分解部の後流側に配置されていて前記アンモニアの残部を取り出して前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給するアンモニア抽出ポートと、前記アンモニア抽出ポートに隣接して配置されていて前記アンモニアの流量を制限する流量制限部材と、前記流量制限部材を介して前記加水分解部に連通していて前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解部と、前記アンモニア分解部から延びていて前記水素リッチガスを前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給する水素リッチガス抽出ポートとを備えることを要旨とする。

請求項６に記載された発明によれば、請求項５記載の構成に加え、前記加水分解部が、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水吸入ポートに連通するアークプラズマ発生室と、前記アークプラズマ発生室に配置されていてアーク電源から予め定められた周期のパルス電圧が供給される一対のアーク電極と、前記一対のアーク電極に接触して前記アークプラズマ発生室に充填された多数の発熱球体と、前記発熱球体の隙間に形成されていて前記尿素水を通過させる多数の乱流発生経路とを備え、前記アンモニア分解部が前記アークプラズマ発生室に隣接して形成されていてアンモニア分解触媒を収納したアンモニア分解室を備え、前記尿素水が前記乱流発生経路を通過しながら前記多数の発熱球体と接触して加熱されることで前記アンモニアに転化されることを要旨とする。

請求項７に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電方法が、高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気との燃焼により燃焼ガスを発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体に設置し、前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに水素リッチアンモニア生成リアクターを接続し、前記水素リッチアンモニア生成リアクターに尿素水を供給して高温のアンモニアを発生させ、前記高温のアンモニアの一部をさらに窒素と水素に転化して高温の水素リッチガスを発生させ、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記高温の水素リッチアンモニアとして前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給して得た燃焼ガスの熱エネルギーを利用して前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させ、前記高圧蒸気により動力装置を作動させて発電機により発電させることを要旨とする。

請求項８に記載された発明によれば、請求項１〜６記載の次世代カーボンフリー発電プラント並びに請求項７記載の次世代カーボンフリー発電方法に利用される尿素水であって、前記尿素水が、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液と、尿素と、水からなり、前記尿素水が前記ボイラ本体の排熱回収エネルギーで予熱されることを要旨とする。

請求項１記載の構成において、次世代カーボンフリー発電プラントでは、水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体に装着し、ボイラ本体に隣接して水素リッチアンモニア生成リアクターを配備して尿素水から高温の水素リッチアンモニアを生成し、この高温の水素リッチアンモニアを燃焼用空気と混合して燃焼させる構成を採用している。高温の水素リッチアンモニアは燃焼用空気と混合して均一混合気となり、ボイラ本体で完全燃焼して高圧蒸気を発生させ、この高圧蒸気により動力装置を介して発電機を駆動するようにしている。アンモニアは難燃性であるため、なかなか燃えにくいが、アンモニアに水素が混合した状態で高温となっているため、アンモニアは完全に気化した状態となり、必然的に燃焼用空気と良く混合し均一混合気が形成される。本発明の次世代カーボンフリー発電プラントでは、プラントの設置領域内において、オンデマンドにて尿素水から高温の水素リッチアンモニアを直接、製造することにより、取り扱い上危険な液体アンモニアの使用を不要としている。尿素水自体は、安全で取り扱いが容易であり、しかも、世界中においてどこでも極めて低コストで調達可能な工業用又は農業用尿素を利用して生成することができる。アンモニア自体は燃焼速度が遅く、着火性が悪いが、高温の水素リッチアンモニアの採用によって、着火性の良いクリーン燃料をオンデマンドで製造することができる。水素リッチアンモニアは単独で使用しても良く、或いは、天然ガス等の低炭素燃料用バーナと併用して使用することもでき、そのため、火力発電において、石炭、重油、灯油等の化石燃料への依存度を大幅に低下させ、温暖化ガス排出の削減に貢献して、低炭素化社会の実現を可能にする。また、クリーン燃料の採用により化石燃料の需要を低下させ、その結果、発電における燃料コスト上昇を大幅に抑制することが可能となり、経済的なメリットも大きい。

請求項２記載の構成では、水素リッチアンモニア生成リアクターが燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材を備え、これら伝熱部材に加水分解部とアンモニア分解部とを収納し、加水分解部とアンモニア分解部との間に流量制限部材を備える。したがって、水素リッチアンモニア生成リアクターの部品点数を大幅に削減して水素リッチアンモニア生成リアクターの小型高性能化と高信頼性を達成することが可能となり、水素リッチアンモニア生成リアクターの低コスト化も可能となる。水素リッチアンモニア生成リアクターの構成部品はステンレス等のアンモニアに対する耐腐食性の材料で構成することができるため、耐久性も向上させることができる。

請求項３記載の発明では、前記ボイラ本体に水素リッチアンモニア燃焼バーナと炭素質燃料燃焼バーナが装着されていて水素リッチアンモニアと炭素質燃料とを燃焼させることができるため、温暖化ガス排出を抑制しながら火力発電における発電コストを著しく低減すろことが可能となり環境対策と経済効果に顕著なメリットを有する。

請求項４記載の構成では、ボイラ水を加熱して蒸気を発生するボイラ本体と水素リッチアンモニア生成リアクターとの間に接続された蒸気抽出管に蒸気供給制御弁を設置している。そのため、水素リッチアンモニア生成リアクターへの尿素水の供給が遮断された際に、ボイラで発生した蒸気をパージガスとして水素リッチアンモニア生成リアクターに導入して水素リッチアンモニア生成リアクターに残留する未反応尿素と残留ガスとを排出させている。そのため、ボイラの運転停止時に、未反応尿素の析出による前記水素リッチアンモニア生成リアクターの閉塞を回避し、腐食性が高く、しかも、可燃性の残留ガスがボイラ内部に残留することによる構成部品の劣化を防止する構造となっている。このため、ボイラの安全性と耐久性を飛躍的に向上させることができる。また、水素リッチアンモニア生成リアクターはボイラの運転停止時に常に清浄な状態に維持されるため、ボイラの起動や運転が円滑に行われ、その分信頼性も向上する。

請求項５記載の構成では、水素リッチアンモニア生成リアクターが、尿素水を加水分解してアンモニアを生成する加水分解部と、流量制限部材を介して加水分解部に連通していてアンモニアの一部を分解して水素リッチガスを生成するアンモニア分解部とを備える。このため、簡単で安全な構造にて水素リッチアンモニアを容易に低コストでオンデマンドで生成することができる。そのため、原油高騰に左右されることなく、極めて低いランニングコストで発電が可能となり、優れた経済効果をもたらすことができる。

請求項６記載の特徴によれば、アーク電源から予め定められた周期のパルス電圧が供給される一対のアーク電極が加水分解部のアークプラズマ発生室に配置され、一対のアーク電極に接触して多数の発熱球体がアークプラズマ発生室に充填され、アークプラズマ発生室に隣接してアンモニア分解触媒を収納したアンモニア分解室が配置されている。そのため、簡単で安全な構造にて水素リッチアンモニアを容易に低コストでオンデマンドで生成することができる。そのため、原油高騰に左右されることなく、極めて低いランニングコストで発電が可能となり、優れた経済効果をもたらすことができる。

請求項７記載の特徴によれば、次世代カーボンフリー発電方法において、ボイラ本体に水素リッチアンモニア燃焼バーナを設置して高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させるようにし、前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに水素リッチアンモニア生成リアクターを接続して、前記水素リッチアンモニア生成リアクターに尿素水を供給して高温のアンモニアをオンデマンドで発生させ、前記高温のアンモニアの一部をさらに窒素と水素に転化して高温の水素リッチガスを発生させ、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスとにより高温の水素リッチアンモニアを生成している。このため、取り扱いの容易な尿素水から安定して高温の水素リッチアンモニアをボイラ本体内で完全燃焼させることが可能となり、化石燃料への依存度を大幅に抑制することができ、低炭素化社会の実現に貢献すると共に、発電コストを大幅に低下させることができる。

請求項８記載の特徴によれば、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液を尿素水に添加した水溶液であるため、加水分解部がボイラ本体内で、例えば、８００℃以上の高温の燃焼ガスで加熱された際に、アルカリ触媒の存在下で尿素を効率よく加水分解してアンモニア生成効率が増大する。尿素水における尿素の濃度は、ボイラ本体の運転条件によって選択しても良い。即ち、天然ガスとの併用運転時には、３５〜７５％濃度となるように尿素水を調整してもよい。また、水素リッチアンモニアを単独でボイラ本体に使用する場合は、尿素水における尿素の濃度を５０〜９５％の範囲で調整しても良い。尿素濃度が５０％以下では、水素リッチアンモニアの熱量が小さくなり、ボイラ本体の効率を高めることができない。尿素濃度が９５％以上では、尿素水の粘度が著しく上昇し、配管類の目詰まりが激しくなるため、その取り扱いが困難となり、得策ではない。尿素水が、例えば、約８００℃に加熱されると、アルカリ触媒の存在下で、▲１▼式のように、熱分解する。熱分解により生成したイソシアン酸（ＨＮＣＯ）は、水蒸気と反応して加水分解し▲２▼式のようにＮＨ_３とＣＯ_２に転化する。この時、イソシアン酸はＨ_２Ｏと反応し▲３▼式のようにＮＨ_３とＣＯ_２に加水分解される。なお、アンモニアの一部はアンモニア分解触媒の存在下で▲４▼式のように３Ｈ_２とＮ_２に転化され、水素リッチガスとなる。

本発明の第１実施例による次世代カーボンフリー発電プラントのブロック図を示す。図１に示した第１実施例による次世代カーボンフリー発電プラントで採用された水素リッチアンモニア生成リアクターの概略図を示す。本発明の第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラントのブロック図を示す。図３に示した第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラントで採用された水素リッチアンモニア生成リアクターの概略断面図を示す。

以下、本発明の実施例による次世代カーボンフリー発電プラントについて説明する。図１において、次世代カーボンフリー発電プラント１０は、高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気との均一な混合気を生成して燃焼させて高圧蒸気を生成するボイラ本体１２を備える。このボイラ本体１２の下部に燃焼装置１４が設けられている。この燃焼装置１４は、ボイラ本体壁に装着された複数の炭素質燃料燃焼バーナ１６と、複数の水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８を備える。本実施例にて、水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８の下側に複数の炭素質燃料燃焼バーナ１６が装着された構造が示されているが、炭素質燃料燃焼バーナ１６と水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８の配置関係は上下逆であってもよい。炭素質燃料燃焼バーナ１６は、流量制御弁ＦＣＶ１及びポンプＰ１を介して炭素質燃料供給タンク２０に接続される。炭素質燃料供給タンク２０に貯蔵される炭素質燃料としては、重油、灯油、ＬＰＧ又はＬＮＧ等の化石燃料か廃食用油等の炭素質燃料が利用される。

また、燃焼装置１４は、各燃焼バーナ１６，１８に燃焼用空気を供給可能な空気供給配管１９を有しており、この空気供給配管１９は、基端部に熱交換器ＨＥを介して送風機２３が装着され、先端部がボイラ本体１２の外周側に設けられた風箱２５に連結されている。熱交換器ＨＥではボイラ本体１２の排熱エネルギーを回収して燃焼用空気を２００〜３００℃の範囲に昇温して、風箱２５に供給する。風箱２５に供給された燃焼用空気を各燃焼バーナ１６，１８に供給する。

ボイラ本体１２は、上部に煙道１２ｂが連結されており、この煙道１２ｂに、対流伝熱部として排ガスの熱を回収するための、節炭器２４、蒸発器２６、一次過熱器２８、二次過熱器３０、再熱器３２等からなる蒸発管類が配置され、ボイラ本体１２で発生する燃焼ガスの熱エネルギーとボイラ水との間で熱交換が行われる。煙道１２ｂは、その下流側に熱交換を行った排ガスが排出される後流側伝熱部１２ｃが連結されている。この後流側伝熱部１２ｃには、脱硝装置３６と熱交換器ＨＥとが連結される。

給水ポンプＰ２から供給されたボイラ水Ｗは、節炭器２４によって予熱された後、蒸発器２６で飽和蒸気となり、飽和蒸気は過熱器２８，３０に導入され、燃焼ガスＣＧによって加熱される。過熱器２８，３０で生成された過熱蒸気は高圧蒸気ライン３８及び流量制御弁ＦＣＶ３を介して動力装置４０の高圧エンジン部４０ａに供給される。高圧エンジン部４０ａの膨張蒸気は、蒸気再熱ライン４２を介して再熱器３２に導入され、再度加熱されて再熱蒸気ライン４４を介して動力装置４０の低圧エンジン部４０ｂに戻される。低圧エンジン部４０ｂの膨張蒸気ＥＳは覆水器４６で凝縮されて温水となり、この温水は給水ポンプＰ２を介して節炭器２４に循環され、以後、同一サイクルが繰り返される。動力装置４０には発電機５０が連結されて発電を行う。動力装置４０としては、例えば、同一発明者の発明による特願２０１１−２９０７２０号（発明の名称：回転式流体機械）に開示された回転式流体機械がロータリー蒸気エンジンとして使用されるが、公知の蒸気タービンを使用しても良い。

水素リッチアンモニア生成リアクター２２はボイラ本体１２において適切な場所、例えば、煙道１２ｂに設置される。水素リッチアンモニア生成リアクター２２は、後述の如く、ボイラ本体１２で発生した燃焼ガスＣＧの熱エネルギーの一部を熱源として加熱され、尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともにアンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを発生させ、アンモニアと水素リッチガスからなる高温の水素リッチアンモニアを生成する。水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８は、水素リッチアンモニア供給ライン２１及び流量制御弁ＦＣＶ２を介して水素リッチアンモニア生成リアクター２２に接続される。

水素リッチアンモニア生成リアクター２２は、ボイラ本体１２において一次過熱器２８と再熱器３２との間の領域に設置される。この領域はボイラ本体１２を構成する火炉１２ａの出口付近であって、火炉１２ａの中央部の燃焼温度が約１２００〜１４００℃であるのに対して、出口付近の燃焼温度が約８００℃であるため、アンモニアの生成領域として選択される。しかしながら、水素リッチアンモニア生成リアクター２２の設置領域はこの領域に限定されず、尿素水に添加される加水分解触媒等の成分に応じて、アンモニアの生成領域を自由に定めても良い。

空気供給配管１９は、熱交換器ＨＥで排ガスの排熱エネルギーを回収して燃焼用空気を２００〜３００℃に加熱する。熱交換器ＨＥにはブロワー２３から加圧した空気が燃焼用空気として供給される。

排ガス配管４９は、熱交換器ＨＥより上流側に位置して、選択還元型触媒を収納した脱硝装置３６が設けられていて水素リッチアンモニア生成リアクター２２で生成されたアンモニアの一部が還元用アンモニア供給ライン２１ａ及び流量制御弁ＦＣＶ４を介して供給される。

水素リッチアンモニア生成リアクター２２は、加水分解部５２と、アンモニア分解部５４と、加水分解部５２及びアンモニア分解部５４との間に配置されていて加水分解部５２の一部をアンモニア分解部５４に通過させるためのオリフィス（図示せず）等からなる流量制限部材５５とを備え、加水分解部５２及びアンモニア分解部５４は煙道１２ｂ内に配置されて燃焼ガスＣＧの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される。加水分解部５２及びアンモニア分解部５４は、それぞれ、燃焼ガスＣＧを通過させるための間隔ＳＰを有するコイル状のステンレスチューブＳＴ１，ＳＴ２からなり、これらステンレスチューブＳＴ１，ＳＴ２は伝熱部材として機能する。

図２Ａに示すように、加水分解部５２は尿素水噴射ノズル５６に接続されたインレット５２ａと、アウトレット５２ｂとを有する。アウトレット５２ｂは、流量制限部材５５を介してアンモニア分解部５４に接続されるとともに、還元用アンモニア供給ライン２１ａ及び流量制御弁ＦＣＶ４を介して脱硝装置３６に接続されている。尿素水噴射ノズル５６は、加水分解部５２のインレット５２ａに対して噴霧状の尿素水を噴射するもので、逆止弁ＣＶ１、ポンプＰ３及び流量制御弁ＦＣＶ５を含む尿素水供給ライン５９を介して尿素水供給タンク６０に接続されている。尿素水供給タンク６０には、アンモニアの原料として、例えば、尿素水Ｕｓが貯蔵される。尿素水には、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＳｉＯ_３及びＫ_２ＳｉＯ_３からなる群から選ばれる１種以上を主成分とする、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液が添加される。尿素水供給タンク６０には熱交換器６１が予熱器として配置されていて、覆水器４６で得られた温水と熱交換することにより、尿素水供給タンク６０の尿素水を、例えば、約５７℃以上の温度に予熱している。

図２Ａに示されるように、加水分解部５２はステンレスチューブＳＴ１に充填されていて複数の乱流発生通路６２を形成する、２〜６ｍｍの直径のアルミナ等のセラミックボール又はステンレスボール等からなる複数の固形状伝熱体６４を備える。尿素水噴射ノズル５６から噴霧状に加水分解部５２の内部に噴射された尿素水Ｕｓは複数の固形状伝熱体６４に衝突して気化され、気化したガスは複数の乱流発生通路６２で生じた乱流により、混合攪拌されながら通過して、複数の固形状伝熱体６４の伝熱面に衝突する。その過程において、尿素水は前述の加水分解触媒の存在下で加水分解されてアンモニアＡｍが生成される。

加水分解部５２で生成した高温のアンモニアＡｍの一部はアウトレット５２ｂから吐出した後、流量制限部材５５によってその流量が制限されながらアンモニア分解部５４に供給される。図２Ｂに示されるように、アンモニア分解部５４は、流量制限部材５５に連結されたインレット５４ａと、水素リッチアンモニア供給ライン２１に連結されたアウトレット５４ｂとを有する。伝熱部材としてのステンレスチューブＳＴ２にはペレット状のアンモニア分解触媒６６が充填される。アンモニア分解触媒６６としては、これに限定されるものではないが、例えば、イタリア国ＳＡＥＳＧＥＴＴＥＲＳ社製アンモニア分解触媒ＳＴ９０９（ＺｒＭｎＦｅ合金）、日揮触媒化成製のニッケル触媒Ｎ１３４，Ｎ１３５及びＮ１３５Ｌが使用される。アンモニア分解部５４のインレット５４ａに流入したアンモニアＡｍの一部はアンモニア分解触媒ペレット６６に対して衝突を繰り返しながら分解して窒素と水素から成る高温の水素リッチガスＨＲＧが生成される。高温の水素リッチガスＨＲＧは水素リッチガスアウトレット５４ｂから取り出され、加水分解部５２から供給された高温のアンモニアの残部と混合されて高温の水素リッチアンモニアＨＲＡが形成される。高温の水素リッチアンモニアは加温された燃焼用空気と混合して均一な混合気が形成され、完全燃焼されるため、外部に未燃アンモニアが排出されることが無い。

図１に戻って、第２過熱器３０には過熱蒸気供給ライン３７を介してパージガス供給ライン８０が接続され、パージガス供給ライン８０にパージガス供給制御弁ＦＣＶ６が設けられる。パージガス供給ライン８０は尿素水供給ライン５９を介して水素リッチアンモニア生成リアクター２２に接続される。発電プラント１０の運転停止時に、水素リッチアンモニア生成リアクター２２への尿素水の供給が遮断されると、パージガス供給制御弁ＦＣＶ６が開弁してパージガス供給ライン８０から過熱蒸気がパージガスとして尿素水供給ライン５９及び水素リッチアンモニア生成リアクター２２に導入される。この結果、尿素水供給ライン５９及び水素リッチアンモニア生成リアクター２２に残留する未反応尿素と残留ガスが水素リッチアンモニア供給ライン２１を経由して水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８から火炉１２ａ内に排出される。このとき、ポンプＰ１を起動して流量制御弁ＦＣＶ１を開弁して炭素質燃料Ｂｆを炭素質燃料燃焼バーナ１６に燃焼用空気と共に供給して燃焼させ、同時に、パージガスを火炉１２ａ内において燃焼させても良い。

水素リッチアンモニア生成リアクター２２の近辺温度を検出するための温度センサ９０が煙道１２ｂに設置され、火炉１２ａの上部温度を検出するための温度センサ９１が設置される。過熱蒸気供給ライン３７には過熱蒸気の圧力を検出するための圧力センサ９３が設置され、後流側伝熱部１２ｃの排ガス配管４９にはＮＯｘセンサ９４が設置される。動力装置４０の出力軸には、その回転数を検出する回転数検出センサ９５が設置される。回転数検出センサ９５からのセンサ信号に応じて動力装置４０に供給される蒸気の圧力が制御され、発電機５０の出力周波数が所定周波数（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）となるように制御される。これらセンサからの検出信号がパラメータ信号としてコントローラ９６に送られる。入力装置９８からは、発電プラント１０の始動・停止時間、尿素水供給用のポンプ起動・停止時間、バーナ１６に供給される炭素質燃料の流量制御弁ＦＣＶ１、アンモニアの流量制御弁ＦＣＶ２の供給開始・停止時間、パージガス供給制御弁ＦＣＶ６の供給開始・停止時間等の各種設定信号がコントローラ９６に入力される。コントローラ９６は、動力装置４０の出力軸の回転数を記憶したメモリ、各種制御パラメータを記憶したメモリ及び各種制御プログラムを備えていて、各センサから供給されたパラメータ信号と入力装置９８から入力された設定信号に応じて次世代カーボンフリー発電プラント１０の運転を制御する。

以上の構成の次世代カーボンフリー発電プラント１０において、起動時にコントローラ９６からの始動信号が出力されると、炭素質燃料供給ポンプＰ１とブロワー２３及びボイラ水供給ポンプＰＰ２が起動され、同時に、着火装置（図示せず）が導通される。すると、炭素質燃料燃焼バーナ１６によって炭素質燃料と燃焼用空気との混合気が着火され、火炉１２ａ内には火炎による燃焼ガスＣＧが発生する。この燃焼ガスＣＧは火炉１２ａの上方に移動した後、煙道１２ｂ及び後流側伝熱部１２ｃを通過しながら第２過熱器３０、再熱器３２、水素リッチアンモニア生成リアクター２２、第１過熱器２８、蒸発器２６及び節炭器２４を加熱する。加熱した後の排ガスは排ガスライン４９を通過して脱硝装置３６及び熱交換器ＨＥを経由して大気に排出される。

温度センサ９０からの温度信号が水素リッチアンモニア生成リアクター２２の作動可能温度、例えば、８００℃に相当する温度に達した後、所定時間、例えば、３０秒経過した時に、コントローラ９６から水素リッチアンモニア生成リアクター２２の作動開始のための指令信号が出力される。これら指令信号に応答して、ポンプＰ３が起動され、尿素水供給タンク６１から尿素水が逆止弁６０を経て供給され、噴射ノズル５６から加水分解部５２のインレット５２ａの上流側端部に噴霧状に噴射される。図２Ａより明らかなように、噴霧状の尿素水はコイル状ステンレスチューブＳＴ１内部において複数の伝熱体６４と衝突・加熱されてガスとなり、このガスは乱流発生通路６２を通過しながら乱流を発生し、順次、複数の伝熱体６４と衝突・加熱を繰り返しながら下流側に進行して加水分解されてアンモニアＡｍとなる。アンモニアの一部は流量制限部材５５によって流量が制限されながらアンモニア分解部５４に導入される。

図２Ｂにおいて、アンモニア分解部５４に導入されたアンモニアの一部はコイル状ステンレスチューブＳＴ２の内部に充填されたアンモニア分解ペレット６６に接触して分解され、窒素と水素に転化されて窒素リッチガスＨＲＧとなる。窒素リッチガスＨＲＧはアウトレット５４ｂから流出してアンモニアＡｍと混合されて水素リッチアンモニアＨＲＡとなる。この水素リッチアンモニアＨＲＡは水素リッチアンモニア供給ライン２１を経由して水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８に供給される。

このように、次世代カーボンフリー発電プラント１０の起動時には、コントローラ９６からの起動指令信号に応答して、運転初期には炭素質燃料燃焼バーナ１６が作動し、次いで、水素立地アンモニア生成待機モードが経過した時点で、水素リッチアンモニア生成リアクター２２から供給された水素リッチアンモニアと燃焼用空気が水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８で燃焼する。

水素リッチアンモニアの燃焼による燃焼ガスＣＧによってボイラ本体１２が加熱され、第２過熱器３０の過熱蒸気が所定圧力に達すると、圧力センサ９３からの圧力信号に応答してコントローラ９６から動力部作動開始指令信号が出力される。この動力部作動開始指令信号に応答して、流量制御弁ＦＣＶ３が開弁され、高圧の過熱蒸気（以下、「高圧蒸気」と称する）が動力装置４０の高圧エンジン部４０ａに供給され、高圧エンジン部４０ａが作動する。高圧エンジン部４０ａの膨張蒸気は膨張蒸気供給ライン４２を介して再熱器３２に供給され、再熱器３２で膨張蒸気が昇圧されて低圧蒸気となり、この低圧蒸気は低圧エンジン部４０ｂで膨張する。このように、動力装置４０は水素リッチアンモニアを新しいエネルギー源としてボイラ本体１２で発生した高圧蒸気及び低圧蒸気に応答して動力を発生し、発電機５０を駆動して発電させる。

次世代カーボンフリー発電プラント１０の運転中において、排ガスのＮＯｘ値が所定置を超えたときは、ＮＯｘセンサ９４から出力された検出信号に応答して、コントローラ９６からＮＯｘ還元指令信号が出力される。ＮＯｘ還元指令信号に応答して、アンモニア開閉弁ＦＣＶ４が開弁する。このとき、アンモニアＡｍの一部が還元用アンモニア供給ライン２１ａを介して脱硝装置３６に供給されて排ガス中に噴射され、内蔵された脱硝触媒上でアンモニアがＮＯｘを還元して無害化する。

次世代カーボンフリー発電プラント１０の停止時には、コントローラ９６からボイラ停止信号が出力される。ボイラ停止信号が出力されると、炭素質燃料供給ポンプＰ１が停止される。このとき、コントローラ９６からパージ指令信号が出力され、パージガス供給制御弁ＦＣＶ６が開弁する。この時、パージガス供給ライン８０を介して過熱蒸気がパージガスとしてパージガス供給ライン５９と水素リッチアンモニア生成リアクター２２内に導入され、未反応尿素及びアンモニア並びに水素リッチガス等の残留ガスがパージされ、パージガスは水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８から火炉１２ａに排出される。このとき、炭素質燃料タンク２０から炭素質燃料が流量制御弁ＦＣＶ１を介して炭素質燃料燃焼バーナ１６に供給され、カロ１２ａ内においてパージガスと共に燃焼される。

次に、本発明の第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラント１０Ａについて図３及び図４を参照しながら説明する。第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラント１０Ａについて、第１実施例と同一若しくは類似の構成部品については同一符号を用いる。

第２実施例の次世代カーボンフリー発電プラント１０Ａは、一次過熱器が複数の過熱器２８Ａ、２８Ｂ，２８Ｃからなり、さらに、水素リッチアンモニア生成リアクター２２Ａが電気式水素リッチアンモニア生成リアクターからなる点において、第１実施例の次世代カーボンフリー発電プラント１０とは異なる。従って、この差異に焦点を当てて、第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラント１０Ａについて以下、説明する。

図５、図６において、水素リッチアンモニア生成リアクター２２Ａは、円筒型ケーシング１００と、尿素水噴射ノズル５６から噴射された噴霧状の尿素水を導入する尿素水吸入ポート１０２と、尿素水を加水分解してアンモニアを生成する円弧状加水分解部１０４と、円弧状加水分解部１０４で生成したアンモニアの一部を分解して水素と窒素からなる水素リッチガスを生成するアンモニア分解部１０６と、アンモニアの残部を取り出して水素リッチアンモニア供給ライン２１に供給するアンモニア抽出ポート１０８と、加水分解部１０４の後流側においてアンモニア抽出ポートに隣接して配置された複数のオリフィスからなっていてアンモニア分解部１０６に流入するアンモニアの流量を制限する流量制限部材１１０と、アンモニア分解部１０６から水素リッチガスＨＲＧを水素リッチアンモニア供給ライン２１に供給する水素リッチガス抽出ポート１１２と、加水分解部１０４から外部に抽出するアンモニアの流量を制限する流量制限部材１１２とを備える。

加水分解部１０４は、ケーシング１００の内側とケーシング１００の中央内周部１１４の径方向外側に形成された絶縁耐熱層１１６と、絶縁耐熱層１１６の内側に形成されたアークプラズマ発生室１１８を備える。尿素水吸入ポート１０２は径方向壁部１２０に延びていて、径方向壁部１２０に周方向に延びる複数の開口部１２２を備える。アークプラズマ発生室１１８のコーナー部１１８ａ、１１８ｂには一対のアーク電極１２４，１２６がそれぞれ配置される。一対のアーク電極１２４，１２６はプラズマアーク電源１３０に接続される。プラズマアーク電源１３０には発電機５０で発生した出力電力の一部が供給される。プラズマアーク電源１３０は、例えば、日本国特許第２５８２９５６号に開示されたような回路構成やその他の公知の回路が用いられる。プラズマアーク電源１３０は、コントローラ９６から出力されたパルス周期指令（タイミング）信号に応じて予め定められた周期のパルス電圧を生成して一対のアーク電極１２４，１２６に供給する。パルス電圧の周期はプラズマアーク室１１８の温度が、尿素水の分解温度に適した温度、例えば、７５０℃〜８５０℃の範囲になるように制御される。そのため、ケーシング１００には温度センサ１３２が装着され、温度信号Ｔがコントローラ９６に供給され、パルス電圧の周期の制御用に利用される。アークプラズマ発生室１１８には、一対のアーク電極１２４，１２６と接触するように多数の発熱球体１３４が充填され、これら発熱球体１３４の隙間には尿素水を通過させるための多数の乱流発生経路１３６が形成される。発熱球体１３４としては、直径２．５ｍｍ〜５０ｍｍのタングステンボール、或いは、カーボンボールが使用される。アンモニア分解部１０６には、アークプラズマ発生室１１８に隣接して形成された円弧状反応室１３８と、円弧状反応室１３８に充填されたアンモニア分解触６６を備える。アンモニア分解触媒６６としては、前述の第１実施例で使用されたものと同一のアンモニア分解触媒ペレットが用いられる。流量制限部材１１０を介してアンモニア分解部１０６にアンモニアの一部が導入されると、アンモニアがアンモニア分解触媒６６に接触して水素と窒素とに転化されて水素リッチガスＨＲＧとなる。水素リッチガス抽出ポート１４０の上流側にはフイルタ１４２が配置されている。

図３及び図４に示された第２実施例において、プラズマアーク電源１３０から所定周期のパルス電圧が水素リッチアンモニア生成リアクター２２Ａに供給されると、多数の発熱球体１３４との間でプラズマアークが発生する。この時、尿素水が多数の発熱球体１３４と接触して瞬時に尿素水の蒸気が生成され、プラズマアークの存在下でアンモニアが生成される。アンモニアの一部は流量制限部材１１０によって流量が制限されながら、アンモニア分解部１０６に流入する。アンモニアはアンモニア分解触媒６６に接触して水素と窒素とに転化されて水素リッチガスＨＲＧとなる。窒素リッチガスＨＲＧはアンモニアＡｍと混合されて水素リッチアンモニアＨＲＡとなる。この水素リッチアンモニアＨＲＡは水素リッチアンモニア供給ライン２１を経由して水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８に供給される。

上述の第１及び第２実施例において、ボイラ本体は炭素質燃料燃焼バーナと水素リッチアンモニア燃焼バーナとを併設したものとして記載されたが、炭素質燃料燃焼バーナをパイロット燃焼バーナとして利用して発電プラントの始動時にのみ運転し、始動完了後は、水素リッチアンモニア燃焼バーナのみで発電プラントを運転させても良い。また、発電プラントの全運転期間中において、炭素質燃料燃焼バーナと水素リッチアンモニア燃焼バーナとを併用しても良い。

１２ボイラ本体；１４燃焼装置；１６炭素質燃料燃焼バーナ；１８水素リッチアンモニア燃焼バーナ；２０炭素質燃料タンク；２２，２２Ａ水素リッチアンモニア生成リアクター；２４節炭器；２６蒸発器；２８一次過熱器；３０二次過熱器；３２再熱器；３６脱硝装置；４０動力装置；５０発電機；６０尿素水供給タンク；６６アンモニア分解触媒；９６コントローラ；９８入力装置；１００ケーシング；１１０流量制限部材；１１８アークプラズマ発生室；１２４，１２６アーク電極；１３０プラズマアーク電源；１３４発熱球体

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電プラントが、ボイラ本体と、前記ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させて前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記ボイラ本体に隣接して配置されていて前記尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともに前記アンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクターと、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記水素リッチアンモニアとして前記高温の水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ラインと、前記高圧蒸気により駆動される動力装置と、前記動力装置により駆動されて発電を行う発電機とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、前記ボイラ本体内に収納されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される第１及び第２伝熱部材と、前記第１伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温のアンモニアを生成する加水分解部と、前記第２伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解触媒を備えたアンモニア分解部とを備えることを要旨とする。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加え、前記ボイラ本体に装着されていて前記燃焼用空気と炭素質燃料とを燃焼させて前記高圧蒸気を発生させる炭素質燃料燃焼バーナと、前記炭素質燃料燃焼バーナに炭素質燃料を供給する炭素質燃料供給タンクと、前記炭素質燃料燃焼バーナへの前記炭素質燃料の供給流量を制御する流量制御とをさらに備えることを要旨とする。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１又は２記載の構成に加え、前記ボイラ本体と前記尿素水供給ラインとの間に接続されたパージガス供給ラインと、前記パージガス供給ラインに設置されたパージガス供給制御弁とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターへの前記尿素水の供給が遮断されたときに前記パージガス供給制御弁が前記高圧蒸気の一部をパージガスとして前記尿素水供給ライン、前記水素リッチアンモニア生成リアクター、前記水素リッチアンモニア供給ライン及び前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに導入して未反応尿素及び残留ガスを排出することを要旨とする。

請求項４に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、ケーシングと、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水供給源から供給された前記尿素水を導入する尿素水吸入ポートと、前記尿素水を加水分解して前記アンモニアを生成する加水分解部と、前記加水分解部の後流側に配置されていて前記アンモニアの残部を取り出して前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給するアンモニア抽出ポートと、前記アンモニア抽出ポートに隣接して配置されていて前記アンモニアの流量を制限する流量制限部材と、前記流量制限部材を介して前記加水分解部に連通していて前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解部と、前記アンモニア分解部から延びていて前記水素リッチガスを前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給する水素リッチガス抽出ポートとを備えることを要旨とする。

請求項５に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電プラントが、ボイラ本体と、前記ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させて前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記ボイラ本体に隣接して配置されていて前記尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともに前記アンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクターと、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記水素リッチアンモニアとして前記高温の水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ラインと、前記高圧蒸気により駆動される動力装置と、前記動力装置により駆動されて発電を行う発電機とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水吸入ポートに連通するアークプラズマ発生室と、前記アークプラズマ発生室に配置されていてアーク電源から予め定められた周期のパルス電圧が供給される一対のアーク電極と、前記一対のアーク電極に接触して前記アークプラズマ発生室に充填された多数の発熱球体と、前記発熱球体の隙間に形成されていて前記尿素水を通過させる多数の乱流発生経路とを備え、前記アンモニア分解部が前記アークプラズマ発生室に隣接して形成されていてアンモニア分解触媒を収納したアンモニア分解室を備え、前記尿素水が前記乱流発生経路を通過しながら前記多数の発熱球体と接触して加熱されることで前記アンモニアに転化されることを要旨とする。

請求項６に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電方法が、高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気との燃焼により燃焼ガスを発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体に設置し、前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに水素リッチアンモニア生成リアクターを接続し、前記水素リッチアンモニア生成リアクターに前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される第１及び第２伝熱部材と、前記第１伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温のアンモニアを生成する加水分解部と、前記第２伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解触媒を備えたアンモニア分解部とを設け、前記水素リッチアンモニア生成リアクターの前記第１伝熱部材に尿素水を供給して高温のアンモニアを発生させ、前記高温のアンモニアの一部をさらに前記第２伝熱部材で窒素と水素に転化して高温の水素リッチガスを発生させ、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記高温の水素リッチアンモニアとして前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給して得た燃焼ガスの熱エネルギーを利用して前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させ、前記高圧蒸気により動力装置を作動させて発電機により発電させることを要旨とする。

請求項７に記載された発明によれば、請求項１〜５のいずれかに記載の次世代カーボンフリー発電プラント並びに請求項６記載の次世代カーボンフリー発電方法に利用される尿素水であって、前記尿素水が、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液と、尿素と、水からなり、前記尿素水が前記ボイラ本体の排熱回収エネルギーで予熱されることを要旨とする。

請求項１記載の構成において、次世代カーボンフリー発電プラントでは、水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体に装着し、ボイラ本体に隣接して水素リッチアンモニア生成リアクターを配備して尿素水から高温の水素リッチアンモニアを生成し、この高温の水素リッチアンモニアを燃焼用空気と混合して燃焼させる構成を採用している。高温の水素リッチアンモニアは燃焼用空気と混合して均一混合気となり、ボイラ本体で完全燃焼して高圧蒸気を発生させ、この高圧蒸気により動力装置を介して発電機を駆動するようにしている。アンモニアは難燃性であるため、なかなか燃えにくいが、アンモニアに水素が混合した状態で高温となっているため、アンモニアは完全に気化した状態となり、必然的に燃焼用空気と良く混合し均一混合気が形成される。水素リッチアンモニア生成リアクターが燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材を備え、これら伝熱部材に加水分解部とアンモニア分解部とを収納し、加水分解部とアンモニア分解部との間に流量制限部材を備える。したがって、水素リッチアンモニア生成リアクターの部品点数を大幅に削減して水素リッチアンモニア生成リアクターの小型高性能化と高信頼性を達成することが可能となり、水素リッチアンモニア生成リアクターの低コスト化も可能となる。水素リッチアンモニア生成リアクターの構成部品はステンレス等のアンモニアに対する耐腐食性の材料で構成することができるため、耐久性も向上させることができる。本発明の次世代カーボンフリー発電プラントでは、プラントの設置領域内において、オンデマンドにて尿素水から高温の水素リッチアンモニアを直接、製造することにより、取り扱い上危険な液体アンモニアの使用を不要としている。尿素水自体は、安全で取り扱いが容易であり、しかも、世界中においてどこでも極めて低コストで調達可能な工業用又は農業用尿素を利用して生成することができる。アンモニア自体は燃焼速度が遅く、着火性が悪いが、高温の水素リッチアンモニアの採用によって、着火性の良いクリーン燃料をオンデマンドで製造することができる。水素リッチアンモニアは単独で使用しても良く、或いは、天然ガス等の低炭素燃料用バーナと併用して使用することもでき、そのため、火力発電において、石炭、重油、灯油等の化石燃料への依存度を大幅に低下させ、温暖化ガス排出の削減に貢献して、低炭素化社会の実現を可能にする。また、クリーン燃料の採用により化石燃料の需要を低下させ、その結果、発電における燃料コスト上昇を大幅に抑制することが可能となり、経済的なメリットも大きい。

請求項２記載の発明では、前記ボイラ本体に水素リッチアンモニア燃焼バーナと炭素質燃料燃焼バーナが装着されていて水素リッチアンモニアと炭素質燃料とを燃焼させることができるため、温暖化ガス排出を抑制しながら火力発電における発電コストを著しく低減すろことが可能となり環境対策と経済効果に顕著なメリットを有する。

請求項３記載の構成では、ボイラ水を加熱して蒸気を発生するボイラ本体と水素リッチアンモニア生成リアクターとの間に接続された蒸気抽出管に蒸気供給制御弁を設置している。そのため、水素リッチアンモニア生成リアクターへの尿素水の供給が遮断された際に、ボイラで発生した蒸気をパージガスとして水素リッチアンモニア生成リアクターに導入して水素リッチアンモニア生成リアクターに残留する未反応尿素と残留ガスとを排出させている。そのため、ボイラの運転停止時に、未反応尿素の析出による前記水素リッチアンモニア生成リアクターの閉塞を回避し、腐食性が高く、しかも、可燃性の残留ガスがボイラ内部に残留することによる構成部品の劣化を防止する構造となっている。このため、ボイラの安全性と耐久性を飛躍的に向上させることができる。また、水素リッチアンモニア生成リアクターはボイラの運転停止時に常に清浄な状態に維持されるため、ボイラの起動や運転が円滑に行われ、その分信頼性も向上する。

請求項４記載の構成では、水素リッチアンモニア生成リアクターが、尿素水を加水分解してアンモニアを生成する加水分解部と、流量制限部材を介して加水分解部に連通していてアンモニアの一部を分解して水素リッチガスを生成するアンモニア分解部とを備える。このため、簡単で安全な構造にて水素リッチアンモニアを容易に低コストでオンデマンドで生成することができる。そのため、原油高騰に左右されることなく、極めて低いランニングコストで発電が可能となり、優れた経済効果をもたらすことができる。

請求項５記載の特徴によれば、アーク電源から予め定められた周期のパルス電圧が供給される一対のアーク電極が加水分解部のアークプラズマ発生室に配置され、一対のアーク電極に接触して多数の発熱球体がアークプラズマ発生室に充填され、アークプラズマ発生室に隣接してアンモニア分解触媒を収納したアンモニア分解室が配置されている。そのため、簡単で安全な構造にて水素リッチアンモニアを容易に低コストでオンデマンドで生成することができる。そのため、原油高騰に左右されることなく、極めて低いランニングコストで発電が可能となり、優れた経済効果をもたらすことができる。

請求項６記載の特徴によれば、次世代カーボンフリー発電方法において、ボイラ本体に水素リッチアンモニア燃焼バーナを設置して高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させるようにし、前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに水素リッチアンモニア生成リアクターを接続して、前記水素リッチアンモニア生成リアクターに尿素水を供給して高温のアンモニアをオンデマンドで発生させ、前記高温のアンモニアの一部をさらに窒素と水素に転化して高温の水素リッチガスを発生させ、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスとにより高温の水素リッチアンモニアを生成している。このため、取り扱いの容易な尿素水から安定して高温の水素リッチアンモニアをボイラ本体内で完全燃焼させることが可能となり、化石燃料への依存度を大幅に抑制することができ、低炭素化社会の実現に貢献すると共に、発電コストを大幅に低下させることができる。

請求項７記載の特徴によれば、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液を尿素水に添加した水溶液であるため、加水分解部がボイラ本体内で、例えば、８００℃以上の高温の燃焼ガスで加熱された際に、アルカリ触媒の存在下で尿素を効率よく加水分解してアンモニア生成効率が増大する。尿素水における尿素の濃度は、ボイラ本体の運転条件によって選択しても良い。即ち、天然ガスとの併用運転時には、３５〜７５％濃度となるように尿素水を調整してもよい。また、水素リッチアンモニアを単独でボイラ本体に使用する場合は、尿素水における尿素の濃度を５０〜９５％の範囲で調整しても良い。尿素濃度が５０％以下では、水素リッチアンモニアの熱量が小さくなり、ボイラ本体の効率を高めることができない。尿素濃度が９５％以上では、尿素水の粘度が著しく上昇し、配管類の目詰まりが激しくなるため、その取り扱いが困難となり、得策ではない。尿素水が、例えば、約８００℃に加熱されると、アルカリ触媒の存在下で、▲１▼式のように、熱分解する。熱分解により生成したイソシアン酸（ＨＮＣＯ）は、水蒸気と反応して加水分解し▲２▼式のようにＮＨ_３とＣＯ_２に転化する。この時、イソシアン酸はＨ_２Ｏと反応し▲３▼式のようにＮＨ_３とＣＯ_２に加水分解される。なお、アンモニアの一部はアンモニア分解触媒の存在下で▲４▼式のように３Ｈ_２とＮ_２に転化され、水素リッチガスとなる。

Claims

ボイラ本体と、前記ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させて前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記ボイラ本体に隣接して配置されていて前記尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともに前記アンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクターと、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記水素リッチアンモニアとして前記高温の水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ラインと、前記高圧蒸気により駆動される動力装置と、前記動力装置により駆動されて発電を行う発電機とを備えることを特徴とする次世代カーボンフリー発電プラント。
前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、前記ボイラ本体内に収納されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される第１及び第２伝熱部材と、前記第１伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温のアンモニアを生成する加水分解部と、前記第２伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解触媒を備えたアンモニア分解部とを備えることを特徴とする請求項１記載の次世代カーボンフリー発電プラント。
前記ボイラ本体に装着されていて前記燃焼用空気と炭素質燃料とを燃焼させて前記高圧蒸気を発生させる炭素質燃料燃焼バーナと、前記炭素質燃料燃焼バーナに炭素質燃料を供給する炭素質燃料供給タンクと、前記炭素質燃料燃焼バーナへの前記炭素質燃料の供給流量を制御する流量制御とをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の次世代カーボンフリー発電プラント。
前記ボイラ本体と前記尿素水供給ラインとの間に接続されたパージガス供給ラインと、前記パージガス供給ラインに設置されたパージガス供給制御弁とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターへの前記尿素水の供給が遮断されたときに前記パージガス供給制御弁が前記高圧蒸気の一部をパージガスとして前記尿素水供給ライン、前記水素リッチアンモニア生成リアクター、前記水素リッチアンモニア供給ライン及び前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに導入して未反応尿素及び残留ガスを排出することを特徴とする請求項１乃至３記載の次世代カーボンフリー発電プラント。
前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、ケーシングと、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水供給源から供給された前記尿素水を導入する尿素水吸入ポートと、前記尿素水を加水分解して前記アンモニアを生成する加水分解部と、前記加水分解部の後流側に配置されていて前記アンモニアの残部を取り出して前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給するアンモニア抽出ポートと、前記アンモニア抽出ポートに隣接して配置されていて前記アンモニアの流量を制限する流量制限部材と、前記流量制限部材を介して前記加水分解部に連通していて前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解部と、前記アンモニア分解部から延びていて前記水素リッチガスを前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給する水素リッチガス抽出ポートとを備えることを特徴とする請求項１記載の次世代カーボンフリー発電プラント。
前記加水分解部が、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水吸入ポートに連通するアークプラズマ発生室と、前記アークプラズマ発生室に配置されていてアーク電源から予め定められた周期のパルス電圧が供給される一対のアーク電極と、前記一対のアーク電極に接触して前記アークプラズマ発生室に充填された多数の発熱球体と、前記発熱球体の隙間に形成されていて前記尿素水を通過させる多数の乱流発生経路とを備え、前記アンモニア分解部が前記アークプラズマ発生室に隣接して形成されていてアンモニア分解触媒を収納したアンモニア分解室を備え、前記尿素水が前記乱流発生経路を通過しながら前記多数の発熱球体と接触して加熱されることで前記アンモニアに転化されることを特徴とする請求項５記載の次世代カーボンフリー発電プラント。
高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気との燃焼により燃焼ガスを発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体に設置し、前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに水素リッチアンモニア生成リアクターを接続し、前記水素リッチアンモニア生成リアクターに尿素水を供給して高温のアンモニアを発生させ、前記高温のアンモニアの一部をさらに窒素と水素に転化して高温の水素リッチガスを発生させ、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記高温の水素リッチアンモニアとして前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給して得た燃焼ガスの熱エネルギーを利用して前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させ、前記高圧蒸気により動力装置を作動させて発電機により発電させることを特徴とする次世代カーボンフリー発電方法。
請求項１〜６記載の次世代カーボンフリー発電プラント並びに請求項７記載の次世代カーボンフリー発電方法に利用される尿素水であって、前記尿素水が、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液と、尿素と、水からなり、前記尿素水が前記ボイラ本体の排熱回収エネルギーで予熱されることを特徴とする尿素水。