JP2015038039A - 複合プラント - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽エネルギーを取得し、かつ取得した太陽エネルギーの一部を利用して水素を製造する水素製造設備と、水素製造設備により製造した水素を貯蔵する水素貯蔵設備と、空気から窒素を製造する窒素製造設備とを備え、製造された水素と窒素を合成設備へ連続的に供給する複合型プラントを提供する。
【選択図】図1
Description
水素製造設備100は、太陽エネルギーを取得し、かつ取得した太陽エネルギーの一部を利用して水素を製造する設備である。
太陽エネルギーを取得する方法としては、単に太陽光を受ける方法以外に、そのエネルギー密度を上げるために集光する方法がある。例えば下記(A1)〜(A3)の集光装置を利用することができる。
図2は、パラボリックディッシュ型集光装置の一例を示す図である。図2で示すパラボリックディッシュ型集光装置140は、太陽光20を反射させて集光する皿状反射部141と集光した光を受け取る受光部142を有し、受光部142において太陽熱エネルギーを取得する。受光部142で得た太陽熱エネルギーは、温度が高いので直接スターリングエンジンを駆動しても良いし、随意に溶融金属ナトリウムのような溶融アルカリ金属、溶融塩、オイル、水蒸気等の熱媒体を利用して、必要な箇所まで移動させることもできる。パラボリックディッシュ型集光装置は、比較的小規模な設備に適しており、太陽熱エネルギーとしては10kW〜数100kW程度で好ましく用いられる。一般に、パラボリックディッシュ型集光装置は集光度が高く、それによって2,000℃以上の高温熱源が得られるが、コストが後述するタイプの集光装置と比して高い。
図3は、ソーラータワー型集光装置の一例を示す図である。図3に示すソーラータワー型集光装置150は、太陽光20を反射させて集光する複数の反射部151と集光した光を受け取る受光部153を有し、受光部153において太陽熱エネルギーを取得する。受光部153は、受光タワー152の上部に配置されている。太陽の動きに合わせて反射部151を受光部153に向けるように制御される。受光部153で得た太陽熱エネルギーは、随意に熱媒体を利用して、必要な箇所まで移動させることができる。ソーラータワー型集光装置は、10MW〜数100MWの大規模なプラントに適している。一般に、ソーラータワー型集光装置では集光度が大きく、1,000℃以上の高温熱源が得られるが、タワーの建設費が高い。
図4は、パラボリックトラフ型集光装置の一例を示す図である。図4で示すパラボリックトラフ型集光装置160は、太陽光20を反射させて集光するトラフ型反射部161と集光した光を受け取る受光部162を有し、受光部162において太陽熱エネルギーを取得する。受光部162で得た太陽熱エネルギーは、随意に熱媒体を、熱媒体流路163を経由させて流通させることによって、必要な箇所まで移動させることができる。パラボリックトラフ型集光装置は、構造が簡単でコストも安く、大規模な設備に適している。一般に、数100MWに適しているが、集光度が低く、得られる熱源は400〜600℃の低温熱源である。
取得した太陽エネルギーの一部を利用して水から水素を製造する方法として、複数の方法を利用することができる。具体的には、例えば下記の(B1)〜(B6)の水の分解方法がある。(B1)〜(B4)の方法においては、水の分解反応に必要な反応温度を低下させることに、(B5)の方法においては、光エネルギーの利用率を上げることに焦点が置かれている。
最も基本的な方法であり、下記の式2で示される反応によって、高温下で直接に水を水素と酸素に分解する。
上記(B1)で必要とされる高温を下げるために、第3の物質を介在させて水を分解する方法が存在する。その代表的な例は、亜鉛を介在させる方法であり、この場合の反応式は以下の通りである。
ZnO→Zn+1/2O2 (約1700℃)(式4)
全反応 H2O→H2+1/2O2
上記(B2)の方法よりも更に反応温度を下げる方法として、I−Sサイクル法がある。I−S法は、850℃程度までの熱を利用して原料水をヨウ素(I)と硫黄(S)の化合物と反応させて得られるヨウ化水素酸や硫酸を熱分解することによって、水素と酸素を製造するものである。反応は以下の通りである。
2H2O+SO2+I2→H2SO4+2HI (約130℃) (式6)
2HI→H2+I2 (約400℃) (式7)
全反応 H2O→H2+1/2O2
上記(B2)の方法よりも更に反応温度を下げる方法として、UT−3サイクル法がある。反応は以下の通りである。
→CaO(s)+2HBr(g) (700〜750℃) (式8)
CaO(s)+Br2(g)
→CaBr2(s)+1/2O2(g) (500〜600℃) (式9)
Fe3O4(s)+8HBr(g)
→FeBr2(g)+4H2O(g)+Br2(g) (200〜300℃) (式10)
3Fe3O4(s)+4H2O(g)
→Fe3O4(s)+6HBr(g)+H2(g) (550〜600℃) (式11)
熱エネルギーではなく、光エネルギーによって光電気化学的に水を分解する方法である。室温付近で水と接触している光触媒に太陽光を当てると、水を分解して水素と酸素が発生する。代表的な光触媒としては酸化チタンがある。しかし酸化チタンの場合、太陽光のうち、紫外領域の光しかこの反応に寄与せず、太陽光の大部分を占める可視光、近赤外光を利用できないため、効率が極めて低い。そこで、例えば、窒素原子や硫黄原子などの不純物を混ぜることによって可視光領域の光まで利用可能にした光触媒など、さまざまな光触媒の研究が行われている。また、色素や太陽電池材料となるような光を受けて起電力を発生する材料と光触媒とを組み合わせて、水分解の効率を上げる研究も盛んである。一方、光触媒は、高温熱源を必要とせず、面積当りのプラントコストが大変安価になる可能性があるため、敷地面積に余裕がある場合は主流の技術となる可能性を持つ。
水を電気分解することで、水素を製造することが出来る。水の電気分解法としては、例えば、アルカリ水電解法と固体高分子電解質水電解法がある。アルカリ水電解法としては、例えば、KOH水溶液が用いられる。固体高分子電解質水電解法では、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜が電解質に用いられる。
図5に、水素製造設備100の一例である水素製造設備100Aについて説明する。
水素貯蔵設備200は、水素製造設備100で製造された水素を貯蔵し、かつ、水素を窒素製造設備300及びアンモニア合成設備400に供給する設備である。昼間に水素製造設備100により製造された水素の少なくとも一部を貯蔵し、夜間でも貯蔵した水素を窒素製造設備300及びアンモニア合成設備400に供給することで、水素貯蔵設備200は、窒素製造設備及びアンモニア合成設備400の連続運転を可能にする。
窒素製造設備300は、アンモニア合成設備400の合成ガスの一部となる窒素を空気から製造し、その一部を貯蔵する機能を含めた設備である。
深冷分離法では、空気を冷却しながら圧縮し、液体空気を作り、酸素と窒素との沸点の差を利用して、液体空気から窒素を分離する。深冷分離法では、高純度の窒素が得られるが、大規模な設備、及び比較的多くのエネルギーが必要とされる。
製造した水素(H2)を空気で燃焼させ、空気中の酸素を消費させることによっても、窒素ガスを製造できる。なお、水素の燃焼反応は発熱発応であるので、反応熱を利用してアンモニア製造プラント10において必要とされる電力等を作り出すことも出来る。
図8に、水素燃焼により窒素を製造する窒素製造設備の一例を示す。窒素製造設備300Aは、水素燃焼装置310Aを有する。窒素製造設備300Aは、水素制御装置320A、制御弁340、制御弁342、熱交換器350、ガス精製装置360、窒素貯蔵設備380Aを有しても良い。
→H2O+1.88N2+0.023Ar+0.0007CO2 (式12)
→H2O+1.88N2+5.63H2+0.023Ar+0.0007CO2 (式13)
K2CO3+CO2←2KHCO3 (高温における再生反応) (式15)
図9に、深冷分離により窒素を製造する窒素製造設備の一例を示す。窒素製造設備300Bは、窒素製造設備300Aと比して、深冷分離設備370をさらに有し、ガス精製装置360が無い点において異なるが、他の装置は、窒素製造設備300Aと共通する。水素燃焼装置310Bは、窒素製造ではなく発電設備として設置され、水素燃焼装置310Bで発電された電力は、深冷分離設備370、水素貯蔵設備200、アンモニア合成設備400の少なくとも1つに供給される。なお、窒素製造設備300Bは、深冷分離設備370、アンモニア合成設備400、及び水素製造設備100の少なくとも1つに必要な電力から決定される電力を得る量の製造水素を燃焼させる。水素制御装置320Bは、ライン303に供給される水素量に応じて、深冷分離設備370で製造され、ライン304に供給される窒素量を制御することが出来る。
水素及び窒素からアンモニアを合成する設備である。
図10に、アンモニア合成設備の一例を示す。アンモニア合成設備400Aは、合成ガス圧縮機420、合成ガス熱交換器430、反応器440、液化設備450、及びアンモニア合成制御装置460を有する。ライン303には、ライン303を流れる水素の流量を検出する流量計(FI)461が設置される。ライン304には、ライン304を流れる窒素の流量を検出する流量計462が設置される。ライン406には、ライン406を流れるアンモニアの流量を検出する流量計463が設置される。アンモニア合成制御装置460は、流量計461から得た水素流量、及び、流量計462から得た窒素流量に基づいて、式16に示す化学量論比に基づいて設定値となる所定のアンモニア製造量を流量計463から得られるように各設備を制御する。なお、アンモニア合成制御装置460は、設定値となる所定のアンモニア製造量は、後述の制御装置900から受信しても良い。
水素製造設備100は、日射量によって水素の製造量が異なるため、アンモニア製造プラント10は、日射量に従ってアンモニアの生産量を制御しても良い。
Hg=合成ガスの水素流量
He=発電用の水素流量
Hn=窒素製造用の水素流量
Ng=合成ガス中の窒素流量
a=所定係数(アンモニア製造の必要電力から決定される係数)
b=窒素製造に必要な水素の窒素に対する割合。
Ha=Hg+Hn (式22)
He=a×Hg (式23)
Hn=b×Ng (式24)
Ng=1/3×Hg (式25)
図17を用いて、アンモニア合成設備400に合成ガスを供給する複合プラントの一例を示す。複合プラント30は、アンモニア合成設備400に合成ガスを供給するプラントである。
図15を用いて、アンモニアプラントの物質収支を示すためのプロセスフロー図を説明する。
合成ガス中の窒素量:1,860,000Nm3/d
合成ガス中の水素量:5,570,000Nm3/d
水素燃焼ガス発電効率:0.3
20 太陽光
100、100A 水素製造設備
140 パラボリックディッシュ型集光装置
150 ソーラータワー型集光装置
160 パラボリックトラフ型集光装置
200、200A、200B 水素貯蔵設備
300、300A、300B 窒素製造設備
400、400A、400B アンモニア合成設備
Claims (28)
- 太陽エネルギーを取得し、かつ取得した太陽エネルギーの一部を利用して水素製造設備で水素を製造すること、
窒素製造設備で、空気から窒素を製造すること、
水素貯蔵設備で、前記水素製造設備により製造した水素を貯蔵すること、
アンモニア合成設備で、前記製造した水素及び前記製造した窒素からアンモニアを連続的に合成すること、
を含む、アンモニア製造方法。 - 前記窒素貯蔵設備で、前記窒素製造設備により製造した窒素を貯蔵することを含む、請求項1に記載のアンモニア製造方法。
- 前記製造された水素と空気とを燃焼させて発生した熱エネルギーを電気エネルギーへ変換し、得られた電力を、前記窒素製造設備、前記アンモニア合成設備、及び前記水素製造設備の少なくとも1つに供給することを含む、請求項1に記載のアンモニア製造方法。
- 前記窒素製造設備で、前記製造された水素と、空気とを燃焼させて窒素を製造し、かつ前記燃焼により発生した熱エネルギーを電気エネルギーへ変換し、得られた電力を、前記アンモニア合成設備及び前記水素製造設備の少なくとも1つに供給することを含む、請求項1に記載のアンモニア製造方法。
- 前記窒素製造設備で、空気と水素を化学量論比よりも水素過剰で燃焼させ、前記水素過剰の率は、燃焼ガス中の酸素濃度、窒素酸化物濃度、及び発電効率の少なくとも1つにより決定することを含む、請求項4に記載のアンモニア製造方法。
- 前記窒素製造設備で、アンモニア合成に必要な窒素量を得る量の前記製造水素を燃焼させることを含む、請求項4に記載のアンモニア製造方法。
- 前記窒素製造設備で、前記アンモニア合成設備、及び前記水素製造設備の少なくとも1つに必要な電力から決定された電力を得る量の前記製造水素を燃焼させることを含む、請求項3に記載のアンモニア製造方法。
- 前記窒素製造設備で、前記水素貯蔵設備から前記製造水素を得ることを含む、請求項6又は7に記載のアンモニア製造方法。
- 前記水素貯蔵設備で、前記窒素製造設備における水素と空気との燃焼圧力、及び/又は、前記アンモニア合成の反応圧力に基づいた圧力で、前記水素を貯蔵することを含む、請求項3に記載のアンモニア製造方法。
- 太陽の日射量情報に基づいて1日に製造可能な水素量を算出し、かつ前記算出した製造水素量に基づいてアンモニア製造量を算出すること、
を含み、かつ前記アンモニアの連続的合成は、前記算出したアンモニア製造量でアンモニアを製造する、請求項1に記載のアンモニア製造方法。 - 太陽エネルギーを取得し、かつ取得した太陽エネルギーの一部を利用して水素製造設備で水素を製造すること、
窒素製造設備で、空気から窒素を製造すること、
水素貯蔵設備で、前記水素製造設備により製造した水素を貯蔵すること、
アンモニア合成設備に、前記製造した水素と、前記製造した窒素とを供給すること、
を含む、アンモニア合成ガス製造方法。 - 前記窒素貯蔵設備で、前記窒素製造設備により製造した窒素を貯蔵することを含む、請求項11に記載のアンモニア合成ガス製造方法。
- 前記窒素製造設備は、前記製造された水素と、空気とを燃焼させて窒素を製造し、かつ前記燃焼により発生した熱エネルギーを電気エネルギーへ変換し、得られた電力を、前記アンモニア合成設備及び前記水素製造設備の少なくとも1つに供給することを含む、請求項11に記載のアンモニア合成ガス製造方法。
- 前記水素貯蔵設備は、前記窒素製造設備における水素と空気との燃焼圧力、及び/又は、前記アンモニア合成の反応圧力に基づいた圧力で、前記水素を貯蔵することを含む、請求項13に記載のアンモニア合成ガス製造方法。
- 太陽エネルギーを取得し、かつ取得した太陽エネルギーの一部を利用して水素を製造する水素製造設備と、
空気から窒素を製造する窒素製造設備と、
前記水素製造設備により製造された水素を貯蔵する水素貯蔵設備と、
前記製造した水素及び前記製造した窒素からアンモニアを連続的に合成するアンモニア合成設備と、
を備えている、太陽エネルギーを用いてアンモニアを製造するアンモニア製造プラント。 - 前記窒素製造設備により製造した窒素を貯蔵する窒素貯蔵設備を備えている、請求項15に記載のアンモニア合成プラント。
- 前記製造された水素と空気とを燃焼させて発生した熱エネルギーを電気エネルギーへ変換し、得られた電力を、前記窒素製造設備、前記アンモニア合成設備、及び前記水素製造設備の少なくとも1つに供給する発電設備を備えている、請求項15に記載のアンモニア製造プラント。
- 前記窒素製造設備は、前記製造された水素と、空気とを燃焼させて窒素を製造し、かつ前記燃焼により発生した熱エネルギーを電気エネルギーへ変換し、得られた電力を、前記アンモニア合成設備及び前記水素製造設備の少なくとも1つに供給する、請求項15に記載のアンモニア製造プラント。
- 前記窒素製造設備は、空気と水素を化学量論比よりも水素過剰で燃焼させ、前記水素過剰の率は、燃焼ガス中の酸素濃度、窒素酸化物濃度、及び発電効率の少なくとも1つにより決定する、請求項18に記載のアンモニア製造プラント。
- 前記窒素製造設備で、アンモニア合成に必要な窒素量を得る量の前記製造水素を燃焼させる、請求項18に記載のアンモニア製造プラント。
- 前記窒素製造設備は、前記アンモニア合成設備、及び前記水素製造設備の少なくとも1つに必要な電力から決定される電力を得る量の前記製造水素を燃焼させる、請求項17に記載のアンモニア製造プラント。
- 前記窒素製造設備は、前記水素貯蔵設備から前記製造水素を得る、請求項20又は21に記載のアンモニア製造プラント。
- 前記水素貯蔵設備は、前記窒素製造設備における水素と空気との燃焼圧力、及び/又は、前記アンモニア合成の反応圧力に基づいた圧力で、前記水素を貯蔵する、請求項17に記載のアンモニア製造プラント。
- 太陽の日射量情報に基づいて1日に製造可能な水素量を算出し、前記算出した製造水素量に基づいてアンモニア製造量を算出し、かつ前記算出したアンモニア製造量で前記アンモニア合成設備にアンモニアを製造させる制御装置を備えている、請求項15に記載のアンモニア製造プラント。
- 水素及び窒素からアンモニアを連続的に合成するアンモニア合成設備に、水素及び窒素を連続的に供給する複合プラントであって、
太陽エネルギーを取得し、かつ取得した太陽エネルギーの一部を利用して水素を製造する水素製造設備と、
空気から窒素を製造し、かつ前記窒素を前記アンモニア合成設備に供給する窒素製造設備と、
前記水素製造設備により製造した水素を貯蔵し、かつ前記製造水素を前記アンモニア合成設備に供給する水素貯蔵設備と、
を備えている、複合プラント。 - 前記窒素製造設備により製造した窒素を貯蔵する窒素貯蔵設備を備えている、請求項25に記載の複合プラント。
- 前記窒素製造設備は、前記製造された水素と、空気とを燃焼させて窒素を製造し、かつ前記燃焼により発生した熱エネルギーを電気エネルギーへ変換し、得られた電力を、前記アンモニア合成設備及び前記水素製造設備の少なくとも1つに供給する、請求項25に記載の複合プラント。
- 前記水素貯蔵設備は、前記窒素製造設備における水素と空気との燃焼圧力、及び/又は、前記アンモニア合成の反応圧力に基づいた圧力で、前記水素を貯蔵する、請求項25に記載の複合プラント。
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