JP2014020340A - 火力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】火力発電システムの発生熱を有効に利用するとともに、採集した水素を燃料に使用する。
【解決手段】汽力発電、ガスタービン発電及びコンバインドサイクル発電システムにおいて、タービン２、２１から排出される水蒸気又は熱風を熱交換器４、２４を介して水素発生装置Ｍ_１、Ｍ_２に送り、反応剤を収納し、蒸気ボックス（加熱釜）７０内に配設された反応セル８０を加熱するとともに、反応セル８０内に水蒸気又は水を供給して反応剤の微粒子と水蒸気とを反応せしめて水素を発生させ、この水素を発電システムの燃料として使用して化石燃料の使用量を減少させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱を利用した水素発生装置を組込んだ火力発電システムに関する。

反応剤としてのカセイソーダ（ＮａＯＨ）を反応セル内に収納し、これに水蒸気を供給した水素発生装置を火力発電システムに組込んで、採集した水素をボイラのバーナに送り込み、水素を燃料として使用して化石燃料の使用量を減少させる技術はを本件発明者は特開２０１０−１３１５５３号公報で開示している。

特開２０１０−１３１５５３号公報

ところが、特許文献１では、火力発電システム中に水素発生装置を組込むことは開示されているが、具体的にどのように組込むかは十分に開示されていない。

そこで、本発明の第１の発明は燃料によりボイラで水蒸気を発生せしめ、この水蒸気によりタービンを回転させて、タービンに接続された発電機を回転させ、タービンを通った水蒸気は、温度コントロールされた後に水素発生装置に流入されて水素に変換される火力発電システムにおいて、前記水素発生装置は、高温水蒸気を受け入れるための蒸気ボックスと、この蒸気ボックス内に配置され、前記高温水蒸気により加熱され、反応剤が収納された反応セルと、前記温度コントロールされた水蒸気を蒸気ボックス内に供給して反応セルを加熱する加熱配管と、前記水蒸気の一部又は水を反応セル内に供給するための注水配管とを有し、採集された水素の少なくとも一部をボイラのバーナに供給するようにして汽力発電するようにした。

本発明の第２の発明は燃料を燃焼させて、高温ガスを発生せしめ、この高温ガスでガスタービンを回転させてタービンに接続された発電機を回転させ、タービンを通った高温排気ガスを温度コントロールして水素発生装置の加熱釜に供給して加熱釜内に設けた反応剤を収納した反応セルを加熱し、前記反応セル内に水タンクから所定量の水を直接又は水蒸気にして供給することにより水素を発生せしめ、この水素を少なくとも前記燃料の一部として使用するガスタービン発電するようにした。

本発明の第３の発明は本発明の第１及び第２の発明を組合わせてコンバインド発電するようにした。

更に、前記蒸気ボックス又は加熱釜を外ケーシングで被い、この外ケーシング内に反応セルの両端部分を前記蒸気ボックス又は加熱釜から突出せしめ、この突出部分に反応セル内に水又は水蒸気を供給する水管及び反応セル内で生成した水素を排出する水素管を配置せしめることが好ましい。

更に、また、前記蒸気ボックス又は加熱釜の反応セルが伸びる方向の水注入側が水素排出側よりも高くなるように高さ調整機能を備えていることが好ましい。

更に、また、前記反応セルは、円筒形のステンレス鋼からなり、その加熱部分に対応した位置に反応剤としてのカセイソーダ（ＮａＯＨ）又は水酸化カリウム（ＫＯＨ）を保持した樋形の反応剤受けが収納されていることが好ましい。

本発明の第１の発明は。ボイラで生成した水蒸気でタービンを回転する汽力発電に水蒸気の熱で反応セルを加熱するとともに水蒸気の一部を反応セル内に供給して水蒸気を水素に変換する汽力発電システムであって、ボイラで発生しタービンを出た水蒸気の一部を蒸気ボックス内に送って反応セルを加熱し、反応セルの反応空間に前記水蒸気の一部を送り込んで水蒸気から水素を取り出すようにし、この水素をボイラのバーナに送って、燃焼による炭酸ガスを減少せしめ、復水前の水蒸気を有効に利用できる。

本発明の第２の発明は、燃料室のバーナで空気の高温ガスを生成し、この高温ガスでタービンを回転し、タービンを出た排気を水素発生装置の加熱釜に送り、加熱釜内に配設された反応セルを加熱するとともに、水タンクからの水を反応セル内に直接または、水蒸気とした後に間接的に送り込んで水を分解して水素を生成し、この水素を燃料室のバーナに送って化石燃料の使用量を減少させることができるとともに高温排気ガスの有効利用を図ることができる。

本発明の第３の発明は、第１、第２発明を組合せたコンバインドサイクル発電システムに第１、第２それぞれの位置に水素発生装置をセットしたものであり、第１、第２発明両者の利点を有する。

なお、反応セルを長尺として、その一端部分近傍に注入部を他端部分近傍に水素排出部を設け、反応セルの両端部分を蒸気ボックス又は加熱釜の側壁から横方向に突出させて外ケーシング内に位置せしめれば、溶接が必要な水注入部と水素排出部を加熱部分から離間させることができ過度の放熱を防止しつつ強度的に弱い反応セルの両端部の弱化を有効に防ぐことができる。

また、反応セルの反応を活発にするためには、反応セルの材量はステンレス鋼が好ましく、反応剤としては安価なアルカリ金属水酸化物（ＮａＯＨ又はＫＯＨ）が好ましい。

本発明の第１の発明であって、水素発生装置を組込んだ汽力火力発電システム図である。 本発明の第２の発明であって、水素発生装置を組込んだガスタービン火力発電システム図である。 本発明の第３の発明であって、水素発生装置を組込んだコンバインドサイクル火力発電システム図である。 第１の発明に組込まれる水素発生装置の概略構成図である。 反応セルの概略構成図である。 反応セルの配管状態説明図である。 反応セルの蒸気ボックス側壁に対する係合状態説明図である。 反応セルの両端部を閉塞する閉塞筒の斜視図である。 水素発生装置の反応セルの配置を示す斜視図である。 本発明の他の実施例を示す反応セルの加熱方式説明図である。 本発明の他の実施例を示す反応セルの斜視図である。 本発明の第２、第３発明に組込まれる水素発生装置の概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための実施形態について説明する。

図１は、汽力火力発電システムに、水素発生装置Ｍ_１を組込んだものであって、バーナｂで加熱されるボイラ１で生成された高温水蒸気（１０００〜１７００℃）は、蒸気タービン２に送られてタービン２を回転させ、このタービン２に発電機３が接続される。タービン２から排出される水蒸気は必要に応じて設けられる熱支援器４によって６００〜８００℃にコントロールされ、この熱支援器４を流出した水蒸気の全部又は一部は主蒸気管Ｖ・Ｔに接続された蒸気管５を通って反応セル（後述する）を備えた水素発生装置Ｍ_１の本体６内に流入し、ここを出た水蒸気は、蒸気排出管７を通って主蒸気管Ｖ・Ｔに戻り復水器８に流入する。前記復水器８により冷却されて生成された水は給水ポンプ９によりボイラ１に戻される。前記本体６で発生した水素は水素タンク１０に貯溜され、その一部は
、ボイラ１のバーナｂに送られ、必要に応じて燃料供給管１１を介して送られる天然ガス又は重油、灯油等に混入されて燃料となる。

図２は、ガスタービン火力発電システムに水素発生装置Ｍ_２を組込んだ第２の発明を示すものであって、空気圧縮器２で圧縮された空気を加熱するバーナｂで加熱され生成した高温ガスは、ガスタービン２１に送られる。前記ガスタービン２１に空気圧縮器２０が接続され、これらガスタービン２１および空気圧縮器２０と同軸に発電機２２が接続され、この発電機２２は始動発電機２３によって始動される。ガスタービン２１を流出した排ガスは、空冷又は水冷の熱交換器２４によって６００〜８００℃にコントロールされ、主ガス排気管２５から分岐したガス分岐器２６を通って水素発生装置Ｍ_２の本体６内に流入し、ここを出た排気ガスはガス排出管２７を通って主ガス排気管２５に戻される。排気ガスは、必要に応じて設けられた熱交換機２８を通って水又は空気と熱交換してコージェネレーションシステムを構成している。前記熱交換器２８（水で熱交換する場合）で作られた水蒸気の一部は系路２９により前記本体６の反応セル内に供給されてもよく、系路２９の代りに別途志上記供給系路を設けるようにしてもよい。前記本体６で生成した水素は前記バーナｂに供給され、バーナｂには他の天然ガス、重油、灯油が供給されてもよく、水素がこれら燃料に混入されてもよい。

図３は、第１の発明と第２の発明とを組合せたコンバインド火力発電システムであって、これにそれぞれ水素発生装置Ｍ_１、Ｍ_２を組込んだ第３の発明を示すものである。

すなわち、図２のコージェネシステムのための熱交換器２８を水と熱支援する排熱ボイラ３０として構成し、前記ガスタービン２１に同軸に蒸気タービン２を接続し、前記排熱ボイラ３０の高温水蒸気を蒸気タービン２に送るようにし、蒸気タービン２と復水器２間に水素発生装置Ｍ_１が設けられるとともに、前記主排ガス管２５に前記水素発生装置Ｍ_２が設けられている。両水素発生装置Ｍ_１、Ｍ_２で採集した水素は水素系路４０、４１を介して水素タンク４２に貯蔵されてその一部は系路４３を介してバーナｂに送られる。なお、バーナｂには系路４４を介して他の燃料（天然ガス、重油等）も送られ、ハイブリッドガスとして燃焼するようにしてもよい。

次に前記水素発生装置Ｍ_１、Ｍ_２の具体的構成について説明する。

なお、水素発生装置Ｍ_１、Ｍ_２の本体６の機械的構造は同一であり、水素発生装置Ｍ_１では反応セルの加熱源が水蒸気であり、水素発生装置Ｍ_２では、高温空気ガス（熱風）である点のみが異なる。

図４において、水素発生装置Ｍ_１は、箱形の本体６を有し、この本体６は、６００〜８００℃の高温水蒸気が供給される蒸気ボックス７０を備え、この蒸気ボックス７０内には、多数の反応セル８０、８０・・・８０がほぼ水平に配設され、これら反応セル８０の各々は各グループが図９に示すように、同一高さ位置で水平方向に所定間隔で配設するようにして形成され、蒸気ボックス７０には、複数のグループｇ、ｇ・・・が高さ方向に複数段所定間隔で形成され、水蒸気が通り易いように、隣り合う上下の段の反応セル８０は千鳥状に配設されることが好ましい。

例えば、２段毎の組み合わせの下方には、高温水蒸気が平均的に供給されるように、蒸気供給体９０が設けられ、この蒸気供給体９０は、図９に示すように、箱状のものでもよいし、小さな孔を有する管状体を複数水平方向に組合せたものでもよい。前記蒸気供給体９０には、多数の蒸気流通孔ｈ、ｈ・・・ｈが形成されている。前記蒸気供給体９０の端面に沿って蒸気分配管７１、７１・・・７１が配設され、この蒸気分配管７１からは、蒸気供給体９０の端面に所定間隔で分岐管７２、７２・・・７２が設けられ、この分岐管７２の各々には開度調節弁７３が設けられている。なお、各分岐管７２に平均的に水蒸気が供給されるように、蒸気分配管７１の直径が蒸気の流れる下流方向に向って大きくなるように形成され、蒸気の流れは、各分岐管７２に設けられた調整弁７３によっても調節される。なお、前記蒸気分配管７１、蒸気供給体９０等が反応セル８０を加熱する加熱配管を形成している。

前記反応セル８０は、図５、図６に示すように、円筒状の筒体８１を有し、この筒体８１の中央部分には樋形の反応剤受け８２が収納され、この反応剤受け８２内にカセイソーダ（ＮａＯＨ）又は水酸化カリウム（ＫＯＨ）が収納され、これら反応剤は反応セル８０が５００〜６００℃に加熱されたときには溶融して、溶融塩を形成し、この溶融塩表面から微細粒子が反応セル内に分散し、この微細粒子と供給される水蒸気とが反応して水を分解して水素を生ぜしめる。なお、反応セル８０はその一端である水蒸気供給部８１ａと、他端である水素排出部８１ｂを備え、これら両部分を蒸気ボックス７０の側壁７０ａ、７０ａから外方に突出せしめ、これら突出部分は、蒸気ボックス７０を被っている外ケーシング７５内に位置し、この外ケーシング７５と反応セル８０の蒸気ボックス７０の側壁７０a間に位置し、高温水蒸気によって加熱される加熱部８１ｃに対応して前記反応剤受け８２が反応セル８０内に収納されている。

前記水供給部８１ａの上面には、水又は水蒸気を供給する水蒸気管７６が、前記水素排出部８１ｂの上面には水素管７７が設けられ、これら水蒸気管７６、水素管７７及び両部分８１ａ、８１ｂの端面（端板）は溶接が必要であり、反応セル内の反応が活発になると溶接部分が破損する恐れがある。そこで非加熱部分として直接加熱することを避けるため前記両部分８１ａ、８１ｂを蒸気ボックス７０外に位置せしめ、温度の放熱を防止するための外ケーシング７５で被っている。前記両部分８１ａ、８１ｂ内には、図８に示すように閉塞筒７８が収納されて反応空間を加熱部分に限定しており、閉塞筒７８に端板７９が付着され、この端板７９が反応セルの端面に溶着されている。なお、閉塞筒７８は反応を起こさせるためには、必ずしも必要でないので図６においては図示されていない。また、前記水管７７は、各反応セル８０の水素排出部８１ｂ間に垂設された水素集合管８５に接続され、この集中管８５により発生した水素が外部に取り出される。前記水蒸気管７６は、反応セル８０の各グループｇに対応して水平に設けられた水蒸気供給管８６に接続され、この水蒸気管８６は調節弁８７を有している。前記水蒸気供給管８６は、開閉弁８９を有する連通管８８から水蒸気を受け、この連通管８８は前記分岐管５及びバルブ９５を介して水タンクＴに連通しており、開閉弁７９を閉じ、開閉弁９５を開けば、水蒸気の代わりに水を直接反応セル８０に供給することができる。前記連通管８８、水蒸気供給管８６、水蒸気管７６は注水配管をなし、これにより、水蒸気又は水が反応セル８０内に送られる。なお、反応セル内に送られる水蒸気の温度は図示されない熱交換器によって適宜コントロールされる。反応セル内に水を直接供給した場合には、水蒸気を供給するよりも反応が活発になることがあるので、水蒸気又は水を供給できるように構成することが好ましい。

前記反応セル８０は、図７に示すように蒸気ボックス７０の側壁７０ａにスライド自在に設けられ、反応セル８０の寿命がきた時に容易に交換可能に形成される。すなわち、前記外ケーシング７５の側壁７５ａは開閉自在に形成され(図４）、水素管７７の下端を反応セル８０にねじ込み可能に形成して、水素管７７を取り外した状態で反応セル８０の水蒸気供給部８１aを把持して引抜いて新たな反応セル８０と交換可能なようになっている。

なお、反応セル８０の径が大きな場合には、その外周を加熱するのみでは十分でなく、反応セル８０の加熱部分に内管８０ｉを設け、この内管８０ｉに加熱水蒸気を通過させるようにしてもよい。

なお、図４において、水蒸気又は水、特に水を反応セル８０内に供給するためには、水供給側をその反応側に対して僅かに高くしておくのが望ましいので、本体６の底面に高さ調整機能を設けている。すなわち、ねじ調整の脚１００、１００が設けられている。なお、反応セルの形状は円筒形に限定せず、図１１に示すように長手方向に伸びる角筒形状の反応セル１１０でもよく、その両端部には、閉塞箱１１１を設け、この閉塞箱１１１上に水蒸気管又は水素管１１２が設けられ、反応セル１１０の中央部（加熱部分）に反応剤箱１１３が設置される。

なお、図２のシステムにおける水素発生装置Ｍ_２は、図１２に示すように図１のシステムの水蒸気の代わりに熱風が流され、熱風系路とは別に水又は水蒸気経路Ｓ・Ｌが設けられる点が異なっている。この場合、熱風を送る連通管８８は、熱交換器１３０迄延び、この熱交換器１３０によって水タンクＴからの水が水蒸気とされる。なお、水タンクＴからの水を直接反応セル８０に送る場合には、熱交換器１３０は不要となる。また、この場合、水蒸気ボックス７０は加熱釜７０と呼称され、蒸気供給体９０は熱風供給体９０と、蒸気分配管７１は熱風分配管７１とそれぞれ呼称される。

更に、図３におけるコンバインド火力発電システムにおいては、所定の位置に上述の水素発生装置Ｍ_１、Ｍ_２がそれぞれ配設されている。

１…ボイラ、
２…蒸気タービン
５…分岐管
６…本体
８…復水器
２１…ガスタービン
２８…熱交換器
７０…蒸気ボックス（加熱釜）
８０…反応セル
９０…蒸気（熱風）供給体
１００…脚

Claims (6)

1. 燃料によりボイラで水蒸気を発生せしめ、この水蒸気によりタービンを回転させて、タービンに接続された発電機を回転させ、タービンを通った水蒸気は、温度コントロールされた後に水素発生装置に流入されて水素に変換される火力発電システムにおいて、前記水素発生装置は、高温水蒸気を受け入れるための蒸気ボックスと、この蒸気ボックス内に配置され、前記高温水蒸気により加熱され、反応剤が収納された反応セルと、前記温度コントロールされた水蒸気を蒸気ボックス内に供給して反応セルを加熱する加熱配管と、前記水蒸気の一部又は水を反応セル内に供給するための注水配管とを有し、採集された水素の少なくとも一部をボイラのバーナに供給するようにして汽力発電する火力発電システム。
2. 燃料を燃焼させて、高温ガスを発生せしめ、この高温ガスでガスタービンを回転させてタービンに接続された発電機を回転させ、タービンを通った高温排気ガスを温度コントロールして水素発生装置の加熱釜に供給し加熱釜内に設けた反応剤を収納した反応セルを加熱し、前記反応セル内に水タンクから所定量の水を直接又は水蒸気にして供給することにより水素を発生せしめ、この水素を少なくとも前記燃料の一部として使用するガスタービン発電する火力発電システム。
3. 請求項１及び請求項２の汽力発電及びガスタービン発電とを組合せて形成したコンバインドサイクル発電を行うようにした火力発電システム。
4. 前記蒸気ボックス又は加熱釜を外ケーシングで被い、この外ケーシング内に反応セルの両端部分を前記蒸気ボックス又は加熱釜から突出せしめ、この突出部分に反応セル内に水又は水蒸気を供給する水管及び反応セル内で生成した水素を排出する水素管を配置せしめた請求項１乃至３のいずれかに記載の火力発電システム。
5. 前記蒸気ボックス又は加熱釜の反応セルが伸びる方向の水注入側が水素排出側よりも高くなるように高さ調整機能を備えている請求項１乃至４のいずれかに記載の火力発電システム。
6. 前記反応セルは、円筒形のステンレス鋼からなり、その加熱部分に対応した位置に反応剤としてのカセイソーダ（ＮａＯＨ）又は水酸化カリウム（ＫＯＨ）を保持した樋形の反応剤受けが収納されている請求項１乃至５のいずれかに記載の火力発電システム。

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