JP2015047563A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電システムの構成を効率よく利用し、かつ、海洋生物の付着を抑制できることにある。
【解決手段】発電システムであって、燃料を燃焼させて発電する発電ユニットと、発電ユニットで発生した排ガスが流れる煙道と、ポンプを有し、ポンプで海水を送液し、発電ユニットと海との間で海水を循環させる海水循環装置と、海水循環装置のポンプよりも下流を流れる海水に二酸化炭素を溶解させる溶解装置と、を備える。溶解装置は、二酸化炭素を通過させ海水を通過させない中空糸膜を介して、煙道の大気圧雰囲気の領域を流れる少なくとも一部の排ガスと、海水循環装置を流れる少なくとも一部の海水と、を接触させ、排ガス中の二酸化炭素を海水に溶解させる中空糸膜モジュールを、有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、管路を流れる海水中に二酸化酸素を溶解させる溶解装置を有する発電システムに関するものである。

海に隣接して設置された発電システムの中には、冷却水等として海水を利用する発電システムがある。海水を取水する海水取放水施設では、海水が流れる配管に海洋生物が付着するという問題がある。配管に海洋生物が付着することを防止する方法としては、特許文献１及び２に記載されているように、海水中に二酸化炭素を溶解させ、海水のｐＨを弱酸にする方法がある。

特開平１１−３１９８５３号公報 特開２０１１−１４７８７０号公報

空気が混入した二酸化炭素の気泡を溶解させる場合、二酸化炭素の溶解速度は二酸化炭素分圧に比例するため、二酸化炭素の溶解とともに気泡内の二酸化炭素分圧が下がり、二酸化炭素の溶解速度や効率が低下し二酸化炭素を完全に溶解させることが難しいという問題がある。また、空気や解け残りの二酸化炭素の気泡が配管内に滞留すると、取水した海水の流れを妨げるという問題もある。

このため、特許文献１及び２に記載の方法では、１００％の二酸化炭素が充填されたボンベガスを用いている。この１００％の二酸化炭素が充填されたボンベガスは、発電システムとは別に設けることになるため、発電システムとしての改善の余地がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、発電システムの構成を効率よく利用し、かつ、海洋生物の付着を抑制することができる発電システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、燃料を燃焼させて発電する発電ユニットと、前記発電ユニットで発生した排ガスが流れる煙道と、ポンプを有し、前記ポンプで海水を送液し、前記発電ユニットと海との間で海水を循環させる海水循環装置と、前記海水循環装置の前記ポンプよりも下流を流れる海水に二酸化炭素を溶解させる溶解装置と、を備え、前記溶解装置は、二酸化炭素を通過させ海水を通過させない中空糸膜を介して、前記煙道の大気圧雰囲気の領域を流れる少なくとも一部の排ガスと、前記海水循環装置を流れる少なくとも一部の海水と、を接触させ、排ガス中の二酸化炭素を海水に溶解させる中空糸膜モジュールを、有することを特徴とするものである。

従って、発電ユニットで燃料を燃焼させることで発生し、大気圧雰囲気で流れる排ガスを用いて、海水に二酸化炭素を溶解させることができる。これにより、新たな動力や、二酸化炭素の供給源を用意することなく、海水に二酸化炭素を溶解させることができるため、発電システムの構成を効率よく利用し、かつ、海洋生物の付着を抑制することができる。

本発明の発電システムでは、前記溶解装置は、前記海水循環装置と前記中空糸膜モジュールとを接続し、前記海水循環装置を流れる海水の一部を前記中空糸膜モジュールに供給する供給管と、前記海水循環装置の前記供給管よりも海水の流れ方向下流側の部分と前記中空糸膜モジュールとを接続し、前記中空糸膜モジュールを通過した海水を前記海水循環装置に排出する排出管と、を有し、前記海水循環装置を流れる海水の一部に二酸化炭素を溶解させた後、二酸化炭素を溶解させた海水を前記海水循環装置に排出することを特徴とする。

従って、適正な流量の海水を中空糸膜モジュールに供給することができ、中空糸膜モジュールに大きな負荷がかかることを抑制することができる。また、中空糸膜モジュールの大型化を抑制することができる。

本発明の発電システムでは、前記中空糸膜モジュールは、前記煙道に設置されていることを特徴とする。

従って、中空糸膜モジュールに排ガスを案内する配管が不要となり装置構成が簡単となる。

本発明の発電システムでは、前記海水循環装置の前記供給管と前記排出管との間に配置された第１流量調整弁と、前記供給管に配置された第２流量調整弁と、を有し、前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁の開度を調整し、前記溶解装置に供給する前記海水の流量を調整する制御部をさらに備えることを特徴とする。

従って、適正な流量の海水を中空糸膜モジュールに供給することができ、海水に溶解させる二酸化炭素の量をより適切にすることができる。これにより、海水のｐＨ値をより正確に調整することができる。

本発明の発電システムでは、前記中空糸膜モジュールは、前記海水循環装置の前記海水を流す配管に設置されていることを特徴とする。

従って、中空糸膜モジュールに海水を案内する配管が不要となり装置構成が簡単となる。

本発明の発電システムでは、前記煙道に配置され、前記排ガスに含まれる不純物を低減させる排ガス処理装置をさらに備え、前記溶解装置は、前記排ガス処理装置を通過した前記排ガス中の二酸化炭素を前記海水に溶解させることを特徴とする。

従って、海水中に不純物が混入することを抑制することができる。

本発明の発電システムでは、前記発電ユニットは、蒸気タービンを有し、前記蒸気タービンを通過した熱媒を前記海水で冷却する熱交換器をさらに備え、前記海水循環装置は、前記熱交換器に前記海水を供給する取水管と、前記熱交換器を通過した前記海水を排出する放水管と、を備え、前記溶解装置は、前記取水管を流れる前記海水に前記排ガス中の二酸化炭素を溶解させることを特徴とする。

従って、熱交換器の海水が流れる経路に海洋生物が付着する恐れを低減することができる。

本発明によれば、発電ユニットで燃料を燃焼させることで発生し、大気圧雰囲気で流れる排ガスを用いて、海水に二酸化炭素を溶解させることができる。これにより、新たな動力や、二酸化炭素の供給源を用意することなく、海水に二酸化炭素を溶解させることができるため、発電システムの構成を効率よく利用し、かつ、海洋生物の付着を抑制することができる。

図１は、本発明の実施例１に係る発電システムの概観の一部を表す概略図である。 図２は、本発明の実施例１に係る発電システムの概略構成を表す概略図である。 図３は、中空糸膜モジュールの概略構成を表す概略図である。 図４は、中空糸膜管の概略構成を表す概略図である。 図５は、本発明の実施例２に係る発電システムの概略構成を表す概略図である。 図６は、本発明の実施例３に係る発電システムの概略構成を表す概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システムの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本発明の実施例１に係る発電システムの概観の一部を表す概略図である。図２は、本発明の実施例１に係る発電システムの概略構成を表す概略図である。図３は、中空糸膜モジュールの概略構成を表す概略図である。図４は、中空糸膜管の概略構成を表す概略図である。

図１に示すように、発電システム１は、蒸気タービン建屋２と熱交換器４と海水循環装置６と溶解装置２０と散気装置２２とを備える。後述するが、発電システム１は、図１に示す各部に加え、図２に示す各種機器を備えている。発電システム１は、蒸気タービン建屋２内に熱交換器４が配置されている。熱交換器４には、海との間で海水を循環させる海水循環装置６が接続されている。

海水循環装置６は、取水管１３とポンプ１４と放水管１７とを有する。取水管１３は、海と熱交換器４とを接続する配管である。取水管１３は、取水路８に囲まれた海の中に一方の端部が配置され、他方の端部が熱交換器４に接続されている。ポンプ１４は、取水管１３に取り付けられており、取水路８の海水を取水管１３に吸い上げ、取水管１３内に取水路８から熱交換器４に海水を送液する。放水管１７は、海と熱交換器４とを接続する配管である。放水管１７は、一方の端部が熱交換器４に接続され、他方の端部が海の中に配置されている。溶解装置２０は、取水管１３を流れる海水に二酸化炭素を溶解させる。散気装置２２は、放水管１７に設けられ、放水管１７を流れる海水から二酸化炭素を放出させる。溶解装置２０と散気装置２２との詳細な構成については後述する。

発電システム１は、プランクトン幼生を含む海水を、ポンプ１４によって取水管１３に取水する。発電システム１は、溶解装置２０により取水管１３を流れる海水に二酸化炭素（ＣＯ_２）を溶解させ、取水管１３を流れる海水のｐＨを６以下、好ましくは５以上６以下にする。発電システム１は、二酸化炭素を溶解させた海水を熱交換器４に供給し、熱交換器４を通過した海水を放水管１７から排出する。また、発電システム１は、放水管１７の出口付近において散気装置２２によって空気脱気して海水中に注入されたＣＯ_２を除去し、正常海水程度のｐＨに戻した海水を放水管１７から海へ排出する。

次に、図２を用いて、発電システム１の溶解装置２０と散気装置２２についてより詳細に説明する。まず、発電システム１は、上記の構成に加え、発電ユニット３０と煙道３８と排ガス処理装置４０と煙突４２とを備える。

発電ユニット３０は、燃料を燃焼させて発生させた熱を電力に変換することで、発電を行う機構であり、ボイラ３２と蒸気タービン３４と熱媒循環ライン３６とを有する。ボイラ３２は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成させる。ここで、燃料としては、例えば、天然ガス（ＬＮＧ）、石油、石炭、バイオマス、アルコール等の各種燃料を用いることができる。固形燃料は、粉砕して粉体としてボイラ３２内に供給することが好ましい。ボイラ３２は、内部に熱媒循環ライン３６が挿入されており、燃焼ガスで熱媒循環ライン３６を流れる熱媒を加熱し、蒸気にする。ボイラ３２で生成された燃焼ガスは、熱媒循環ライン３６と熱交換した後、排ガスとして煙道３８に排出される。蒸気タービン３４は、熱媒循環ライン３６を流れる蒸気が供給され、供給された蒸気により回転する。蒸気タービン３４は、発電機と接続されている。発電機は、蒸気タービン３４の回転により発電機が回転され発電する。

熱媒循環ライン３６は、熱媒を循環させる配管であり、ボイラ３２、蒸気タービン３４、熱交換器４に接続している。熱媒循環ライン３６は、ボイラ３２、蒸気タービン３４、熱交換器４の順で熱媒が流れ、さらに熱交換器４を通過した熱媒をボイラ３２に供給させることで循環させる。熱媒循環ライン３６を流れる熱媒は、ボイラ３２で加熱され蒸気となった後、蒸気タービン３４に供給され蒸気タービン３４を回転させる。蒸気タービン３４を通過した熱媒は、熱交換器４で海水との間で熱交換を行い冷却され、液体となる。つまり熱交換器４は復水器となる。熱交換器４で液体となった熱媒は、再びボイラ３２に供給される。

煙道３８は、一方の端部がボイラ３２と接続され、他方の端部が煙突４２と接続され、ボイラ３２から排出された排ガスを煙突４２から排出する。排ガス処理装置４０は、煙道３８に設けられている。排ガス処理装置４０は、煙道３８を流れる排ガスに含まれる有害物質、例えば、窒素酸化物、硫黄酸化物、ＰＭ（Particulate Matter）等を低減または除去する。排ガス処理装置４０は、処理対象の有害物質毎に別々の装置としてもよいし、複数の有害物質を処理できる１つの装置としてもよい。

溶解装置２０は、排ガスに含まれる二酸化炭素を海水に溶解させる装置である。溶解装置２０は、中空糸膜モジュール５０と、供給管５２と、排出管５４と、第１ｐＨ（水素イオン濃度）計５６と、第２ｐＨ計５８と、第１流量調整弁６０と、第２流量調整弁６２と、流量計６６、６７と、制御部７０と、を有する。

中空糸膜モジュール５０は、煙道３８の排ガス処理装置４０と煙突４２との間に配置されている。中空糸膜モジュール５０は、図３に示すように、ケース９０と複数本の中空糸膜管９２と隔壁９３とを有する。ケース９０は、煙道３８と繋がっており、さらに供給管５２及び排出管５４とも繋がっている。複数本の中空糸膜管９２は、ケース９０の中に並列に配置されている。中空糸膜管９２は、図４に示すように中空糸膜９４が円筒上に配置された形状である。中空糸膜９４は、ポチエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン等で形成され、グラフト重合など疎水性をもたせるように処理を行ったものである。中空糸膜９４は、二酸化炭素を通すが液体（海水）を通さない。本実施例の中空糸膜管９２は、円筒形状の内部に排ガスが流れ、円筒形状の外に海水が充填される。

隔壁９３は、複数本の中空糸膜管９２の両端にそれぞれ配置されており、中空糸膜管９２が挿入された板状の部材である。隔壁９３は、外周がケース９０と接している。隔壁９３は、中空糸膜管９２の端部が開放されている領域と、中空糸膜管９２の中央部が配置されている領域とを分離している。これにより、中空糸膜モジュール５０は、ケース９０内の空間が２つの隔壁９３によって、一方の中空糸膜管９２の端部が開放されている領域と、２つの隔壁９３とケース９０とで挟まれ、複数の中空糸膜管９２が配置されている領域と、他方の中空糸膜管９２の端部が開放されている領域と、に分離される。中空糸膜モジュール５０は、２つの隔壁９３とケース９０とで挟まれ、複数の中空糸膜管９２が配置されている領域に、供給管５２と排出管５４とが接続されている。中空糸膜モジュール５０の動作については、後述する。

供給管５２は、一方の端部が取水管１３のポンプ１４よりも下流側に接続され、他方の端部が中空糸膜モジュール５０に接続されている。供給管５２は、取水管１３を流れている海水の一部が流入し、流入した海水を中空糸膜モジュール５０に供給する。排出管５４は、一方の端部が中空糸膜モジュール５０に接続され、他方の端部が取水管１３の供給管５２との接続位置よりも海水の流れ方向下流側となる位置に接続されている。排出管５４は、中空糸膜モジュール５０を通過した海水を取水管１３に排出する。ここで、供給管５２は、中空糸膜モジュール５０の中空糸膜管９２の延在方向において、２つの隔壁９３に挟まれた領域の一方の端部側、つまり一方の隔壁９３に近接した位置に接続している。排出管５４は、中空糸膜モジュール５０の中空糸膜管９２の延在方向において、２つの隔壁９３に挟まれた領域の他方の端部側、つまり他方の隔壁９３に近接した位置に接続している。本実施例の中空糸膜モジュール５０は、供給管５２がケース９０の排ガスの流れ方向上流側の部分に接続し、排出管５４がケース９０の排ガスの流れ方向下流側の部分に接続している。

第１ｐＨ（水素イオン濃度）計５６は、排出管５４に配置されており、中空糸膜モジュール５０を通過した海水のｐＨ値を測定する。第２ｐＨ計５８は、取水管１３に配置されており、取水管１３を流れる海水のｐＨ値、具体的には、排出管５４が接続されている位置よりも下流側を流れる海水のｐＨ値を測定する。つまり、第２ｐＨ計５８は、取水管１３を流れる海水に排出管５４を流れる海水が合流した後の海水のｐＨ値を測定する。第１流量調整弁６０は、取水管１３、具体的には取水管１３の供給管５２との接続部と、排出管５４との接続部と、の間の部分に配置されており、取水管１３を流れる海水の流量を調整する。第２流量調整弁６２は、排出管５４に配置されており、排出管５４を流れる海水の流量を調整する。流量計６６は、取水管１３、具体的には取水管１３の供給管５２との接続部よりの上流側に配置されており、取水管１３を流れる海水の流量を計測する。流量計６７は、煙道３８、具体的には、排ガス処理装置４０と中空糸膜モジュール５０との間を流れる排ガスの流量を計測する。第１ｐＨ（水素イオン濃度）計５６と、第２ｐＨ計５８と、流量計６６、６７とは、計測した結果を制御部７０に送る。制御部７０は、第１ｐＨ計５６、第２ｐＨ計５８及び流量計６６、６７の計測結果に基づいて、第１流量調整弁６０及び第２流量調整弁６２の開度及び開閉を調整し、中空糸膜モジュール５０に供給する海水の流量を調整する。

溶解装置２０は、取水管１３から供給管５２に流入した海水が中空糸膜モジュール５０に供給される。供給管５２から中空糸膜モジュール５０に供給された海水は、ケース９０と隔壁９３との間の空間に供給される。これにより、図３及び図４に示すように海水は、中空糸膜管９２と中空糸膜管９２との間、つまり、中空糸膜管９２の外周面に充填された状態となる。また、溶解装置２０は、煙道３８を通過する排ガスが中空糸膜管９２の中を通過する。溶解装置２０は、排ガスが中空糸膜管９２の内側を通過する際に、二酸化炭素の一部が中空糸膜９４を通過して、海水側に移動し溶解する。これにより、中空糸膜モジュール５０を通過する海水は、排ガスに含まれる二酸化炭素が中空糸膜９４を介して供給され溶解する。溶解装置２０は、中空糸膜モジュール５０を通過して二酸化炭素が溶解された海水を排出管５４に排出し、排出管５４から取水管１３に排出する。溶解装置２０は、以上のようにして中空糸膜９４を介して海水と排ガスとを接触させることで、排ガス中の二酸化炭素を海水に溶解させ、海水のｐＨ値を低くする。

また、溶解装置２０は、第１ｐＨ計５６、第２ｐＨ計５８及び流量計６６、６７の計測結果に基づいて、制御部７０により第１流量調整弁６０及び第２流量調整弁６２の開度及び開閉を調整し、中空糸膜モジュール５０に供給する海水の流量を調整することで、海水に溶解させる二酸化炭素の量を調整する。具体的には、溶解装置２０は、溶解装置２０を通過した海水、つまり、排出管５４との接続部よりも下流側の取水管１３を流れる海水のｐＨ値を６以下、具体的にはｐＨ値を５以上６以下になるように海水の流量を調整する。溶解装置２０は、取水管１３を流れる海水のうち一部の海水に対して二酸化炭素を溶解させ、その海水を取水管１３を流れる海水に合流させて目的のｐＨ値にするため、中空糸膜モジュール５０から排出される海水のｐＨ値及び排出管５４を流れる海水のｐＨ値は、目的のｐＨ値よりも低い値となる。

散気装置２２は、放水管１７の出口近傍に配置されており、放水管１７を流れる海水に空気を吹き込むことで、海水に溶解した二酸化炭素を大気に放出させ、海水のｐＨ値を高くする。散気装置２２は、ブロワ８０と、流量調整弁８１と、散気部８２と、ｐＨ計８３と、調節器８４と、を有する。

ブロワ８０は、空気を送る送風機であり、配管で散気部８２と接続している。ブロワ８０は、散気部８２に空気を送る。流量調整弁８１は、ブロワ８０と散気部８２の間の配管に配置されており、ブロワ８０から散気部８２に送られる空気の流量を調整する。散気部８２は、放水管１７の内部に配置されており、放水管１７の内部に空気を放出する孔が形成されている。散気部８２は、流量調整弁８１を通過した空気を孔から放水管１７に放出することで、空気を微細気泡にして放水管１７の海水に吹き込む。ｐＨ計８３は、放水管１７を流れる海水のｐＨ値、具体的には、散気部８２が配置されている位置よりも上流側を流れる海水のｐＨ値を測定する。調節器８４は、ｐＨ計８３の計測結果に基づいて、流量調整弁８１の開度を調整し、散気部８２から海水に吹き込む空気の量を調整する。

散気装置２２は、以上のような構成であり、ｐＨ計８３によって熱交換器４を出て放水管１７を流れる海水のｐＨ値を検出し、結果に基づいて調節器８４により流量調整弁８１の開度の調整、または開閉の切り替えを行い、散気部８２から海水に吹き込む空気の量を調整する。散気装置２２は、海水のｐＨ値が放流規制範囲（例えばｐＨ値が５．８以上８．６以下）外にあるときは、ｐＨ計８３の信号が入力される調節器８４から信号を送り、流量調整弁８１を開けてブロワ８０から散気部８２に空気を送り、散気部８２から放水管１７内の海水へ空気を放出する。散気装置２２は、空気を微細気泡の状態で海水へ放出することで、海水中に溶解している二酸化炭素ガスを大気中に放散させる。これにより、散気装置２２は、放水管１７を流れる海水のｐＨ値を高め、放流される海水のｐＨ値が放流規制値の範囲（ｐＨ値が５．８以上８．６以下）になるように調整する。

発電システム１は、溶解装置２０によって、取水管１３に取水された海水中に二酸化炭素を注入して、例えばｐＨ値を６以下とすることによって、熱交換器４と海水循環装置６内にｐＨ値の低下した海水を流すことができる。これにより、発電システム１は、海水が流れる経路内に、殻をもつ付着生物等の海洋生物が付着し生長することを抑制することができる。また、発電システム１は、二酸化炭素を溶解させて管路内を流れる海水を適正なｐＨ値の範囲にしているため、殻を有する海生物がこれらの管や熱交換器４に付着し殻を生成することを確実に防止することができると共に、有用なプランクトンなどを無差別に殺傷することを抑制できる。これにより、発電システム１は、海洋生物の付着を抑制しつつ、海に与える影響を少なくすることができる。また、二酸化炭素が多い海水を放出することで、海水中のプランクトンを増加させ、魚等がより生息しやすい環境とすることも可能となる。

発電システム１は、発電ユニット３０のボイラ３２から発生する排ガスに含まれる二酸化炭素を海水に溶解させることで、発電システム１で発生する燃焼排ガス中の二酸化炭素を有効に活用することができる。これにより、発電システム１で生じる大気汚染を少なくすることができる。また、発電システム１は、塩素系の殺菌剤を用いる場合に比べ、機器や配管の腐食の発生を抑制でき、海に排出する際の処理も簡単になる。

溶解装置２０は、水を通さないがガスは通す材質の中空糸膜９４を介して、海水と排ガスとを接触させ、海水に二酸化炭素を溶解させている。これにより、海水中に気泡を生成させることなくガスを溶解させることができ、例えば１００％の二酸化炭素ガスでなくても気泡を生成することなく、海水に二酸化炭素を溶解させることができる。また、中空糸膜９４を用いることで、煙道３８を大気圧雰囲気で流れている排ガスから海水へ二酸化炭素を移動させることができる。これにより、排ガスや二酸化炭素を送るブロワ等の機構を用いなくても、ボイラ３２から排出される際の流れの力で海水に二酸化炭素を溶解させることができる。これにより、装置構成を簡単にすることができ、装置コストも低減することができる。更に、１００％の二酸化炭素が充填されたボンベガスを用意する必要が無いので、ランニングコストも低減することができる。

また、溶解装置２０は、海水を海水循環装置６のポンプ１４の力を利用して流すことができる。これにより、海水を流すための駆動力も新たに追加する必要がないため、装置構成を簡単にすることができ、装置コストも低減することができる。

また、溶解装置２０は、供給管５２と排出管５４により、取水管１３のバイパスとなる流路を設け、取水管１３を流れる海水の一部が中空糸膜モジュール５０に供給されるようにすることで、配管系統が大きくなることを抑制することができる。また、必要な流量の海水を中空糸膜モジュール５０に供給できるため、中空糸膜モジュール５０に大きな負荷がかかることを抑制することができる。また、中空糸膜モジュール５０の大型化を抑制することができる。

また、溶解装置２０は、煙道３８に中空糸膜モジュール５０を設けることで、排出される全ての排ガスが中空糸膜管９２を通過するようにでき、二酸化炭素を溶解させやすくすることができる。また、排ガスを流す配管を新たに増設することなく、溶解装置２０を設置でき、装置構成を簡単にすることができる。

また、溶解装置２０は、第１流量調整弁６０と第２流量調整弁６２を設け、計測結果に基づいて制御部７０により、中空糸膜モジュール５０に供給する海水の流量を調整することで、海水のｐＨ値をより好適な範囲に調整することができる。また、排ガスの流量や、海水の流量に合わせて調整することも可能となる。なお、本実施例では、第１流量調整弁６０と第２流量調整弁６２とを設けたがいずれか一方の流量調整弁のみでも、同様に流量を調整することができる。

また、発電システム１は、溶解装置２０に供給する排ガスを、排ガス処理装置４０を通過した排ガスとすることで、中空糸膜９４を介して不純物、例えば有害物質が海水に溶解することを抑制することができる。これにより、発電システム１が海に悪影響を与えることを抑制することができる。

また、発電システム１は、散気装置２２により、放流前の海水に空気を吹き込んで海水中に溶解している二酸化炭素ガスを大気中に放散させてｐＨ値を高めることができる。これにより、発電システム１は、海に放流される海水のｐＨ値を放流規制値の範囲内になるようにフィードバック制御を行うことができ、海水を適切な状態にして放流を行うことができる。

本実施例の中空糸膜モジュール５０は、中空糸膜管９２の内部に排ガスを通過させ、外部に海水を通過させたが、これに限定されない。中空糸膜モジュール５０は、中空糸膜管９２の内部に海水を通過させ、外部に排ガスを通過させてもよい。

本実施形態の溶解装置２０は、効率よく二酸化炭素を海水に溶解できるため、煙道の大気圧雰囲気の領域を流れる排ガスの全量が流れる中空糸膜モジュール５０に海水循環装置６を流れる一部の海水を噴霧し、中空糸膜モジュール５０内を流れる海水に排ガス中の二酸化炭素を溶解させたが、これに限定されない。溶解装置２０は、中空糸膜モジュール５０に煙道の大気圧雰囲気の領域を流れる少なくとも一部の排ガスを流し、かつ、海水循環装置６を流れる海水の少なくとも一部を流していればよい。

図５は、本発明の実施例２に係る発電システムの概略構成を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例２の発電システム１０１は、煙道３８が、中空糸膜モジュール５０を通過しない主管１３８と、中空糸膜モジュール５０を通過する分岐管１３９と、を有する。煙道３８は、主管１３８に対して、分岐管１３９がバイパスしている。分岐管１３９には、中空糸膜モジュール５０が配置されている。分岐管１３９に流入した排ガスは、中空糸膜モジュール５０を通過した後、主管１３８を流れる排ガスと合流し、煙突４２から外部に排出される。

溶解装置１２０は、排ガスの流量を調整する流量調整弁１９２、１９４を有する。流量調整弁１９２は、主管１３８に配置されており、主管１３８を流れる排ガスの流量を調整する。流量調整弁１９４は、分岐管１３９に配置されており、分岐管１３９を流れる排ガスの流量を調整する。

発電システム１０１は、排ガスの一部を中空糸膜モジュール５０に供給し、排ガス中の二酸化炭素を海水に溶解させる。発電システム１０１は、本実施例のように、排ガスの一部のみを溶解装置１２０の中空糸膜モジュール５０に供給してもよい。発電システム１０１は、流量調整弁１９２、１９４を設け、開度や開閉を調整することで、中空糸膜モジュール５０に供給する排ガスの流量を調整することができる。また、本実施例では、流量調整弁１９２、１９４を設けたがいずれか一方の流量調整弁のみでも、同様に排ガスの流量を調整することができる。

図６は、本発明の実施例３に係る発電システムの概略構成を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例３の発電システム２０１は、溶解装置２２０を備える。溶解装置２２０は、中空糸膜モジュール２５０と、第１ｐＨ計２５６と、第２ｐＨ計５８と、流量計６６、６７と、制御部７０と、を有する。中空糸膜モジュール２５０は、取水管１３に配置されている。また、中空糸膜モジュール２５０は、煙道２３８にも接続されている。第１ｐＨ計２５６は、取水管１３に配置されている。

中空糸膜モジュール２５０は、取水管１３に取り付けられており、取水管１３を流れる全ての海水が通過する。また、中空糸膜モジュール２５０は、煙道２３８を流れる排ガスの全量も通過する。発電システム２０１は、本実施例のように、海水循環装置６を流れる海水の全量を溶解装置２２０の中空糸膜モジュール２５０に供給してもよい。また、本実施例では、排ガスも全量を溶解装置２２０の中空糸膜モジュール２５０に供給したが、実施例２のようにバイパスを設け一部のみを供給するようにしてもよい。

本実施例の発電システム１、１０１、２０１は、燃料をボイラで燃焼させ、生成された燃焼ガスと熱交換して加熱された熱媒で蒸気タービン３４を回転させて発電を行ったが、発電ユニットはこれに限定されない。発電ユニットは、燃料をガスタービンの燃焼器で燃焼させてもよい。また、発電ユニットは、ガスタービンと蒸気タービン、ガスタービンと燃料電池、または、ガスタービンと蒸気タービンと燃料電池等、発電する設備を複数組み合わせたコンバインドサイクルとしてもよい。また、発電システム１、１０１、２０１は、散気装置２２を設けたが、散気装置２２を設けなくてもよい。

次に、発電システムの海水循環装置６で循環する海水量と、煙道３８を流れる排ガスと、中空糸膜モジュールを通過させる海水量及び煙道ガス量と、の関係の一例を説明する。

燃料としては、Ｃが７９．６％、Ｈが１．５％、Ｏが１．３％、Ｓが０．４％、Ｎが０．４％、灰分が１３．３％、水分が３．５％、理論空気量が７．５ｍ^３ _Ｎ／ｋｇ、理論燃料ガス量が７．６ｍ^３ _Ｎ／ｋｇ、ＣＯ_２最大値が２０．２％、高位の発熱量が２８９７０ｋＪ／ｋｇ、低位の発熱量が２８５１０ｋＪ／ｋｇの無煙炭（石炭）を用いた場合と、高位の発熱量が８９１０００ｋＪ／ｍｏｌ、低位の発熱量が８００９００ｋＪ／ｍｏｌ、高位の発熱量が５５５６０ｋＪ／ｋｇ、低位の発熱量が５００３０ｋＪ／ｋｇ、高位の発熱量が３９７３０ｋＪ／ｍ^３ _Ｎ、低位の発熱量が３５８４０ｋＪ／ｍ^３ _Ｎのメタンを主成分とするＬＮＧを用いた場合について、説明する。

発電システム１の燃料を燃焼させた場合のエネルギーバランスを、復水器損失（熱交換器の損失、冷却損失）が４６％、発電機出力が４０％、排ガスが１４％とした。貝類の付着防止の海水のｐＨ値を６とし、対応する海水中の二酸化炭素（ＣＯ_２）濃度を５０ｍｇ／Ｌ（=５０ｇ/ｔ）とする。次に、海水の比熱は、１ｋｃａｌ／(ｋｇ℃)＝４．１９ｋＪ／(ｋｇ℃)とする。また、熱交換器４の海水の入口と出口の温度差を５℃とする。

発電システム１の出力を出力１００万ｋＷとすると、エネルギーは、
８６０ｋＪ／ｋＷｈ×１００万ｋＷ＝８．６×１０^１１Ｊ／ｈ＝８６０ＧＪとなる。

次に、冷却に必要な海水量を計算する。上述したエネルギーバランスより、発電機出力：熱交換器の損失＝４０％：４６％＝８６０ＧＪ/ｈ：復水器損失熱量となる。したがって、復水器熱量は、８６０ＧＪ/ｈ×（４６％/４０％）＝９８９ＧＪ/ｈとなる。９８９ＧＪを熱交換する海水流量は、比熱、入口と出口の温度差を考慮すると、９８９［ＧＪ/ｈ］／４．１９［ｋＪ／（ｋｇ℃）］／５［℃］／１０００［ｋｇ/ｔ］＝４７０００［ｔ/ｈ］となる。つまり、出力が１００万ｋＷの発電システムに必要な海水流量は４７０００ｔ／ｈとなる。

次に、二酸化炭素の発生量を計算する。上述したエネルギーバランスより、発電機出力：燃料＝４０％：１００％＝８６０ＧＪ/ｈ：燃料熱量となる。したがって、燃料熱量は、８６０ＧＪ/ｈ×１００％/４０％=２１５０ＧＪ/ｈとなる。ここで、燃料が石炭の場合、石炭の低位発熱量は２８５１０ｋＪ/ｋｇとなるので、燃料の使用量は、２１５０［ＧＪ／ｈ］／２８５１０［ｋＪ／ｋｇ］／１０００［ｋｇ／ｔ］＝７５［ｔ／ｈ］となる。ここで、Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２となるので、分子量を加味すると、Ｃ１２に対し、４４の二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。ここで、本例の石炭の炭素含有率は、７９．６％であるので、ＣＯ_２の発生量は、７５ｔ／ｈ×０．７９６×（４４/１２）＝２２０ｔ／ｈとなる。ここで、空気を酸素２０％、窒素８０％として、完全燃焼したとすると、窒素がＣＯ_２の４倍になるのでＣＯ_２濃度は２０％となる。

これに対して、燃料がＬＮＧの場合、ＬＮＧの低位発熱量は４７５２０ｋＪ/ｋｇとなるので、燃料の使用量は、２１５０［ＧＪ／ｈ］／４７５２０［ｋＪ／ｋｇ］／１０００［ｋｇ／ｔ］＝４５［ｔ／ｈ］となる。ここで、ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏとなるので、分子量を加味すると、１６のＣＨ_４に対し、４４の二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。ＣＯ_２の発生量は、４５ｔ／ｈ×（４４/１６）＝１２４ｔ／ｈとなる。ここで、空気を酸素２０％、窒素８０％として、完全燃焼したとすると、窒素がＣＯ_２の４倍になり、水蒸気がＣＯ_２の２倍なるのでＣＯ_２濃度は１４％となる。

次に、流量バランスについて計算する。上述したように、海水に溶解させる二酸化炭素濃度は、ｐＨ値が６相当の５０ｇ／ｔなので、海水流量を乗ずると海水に溶解させるＣＯ_２の量（溶解ＣＯ_２量）が計算できる。具体的には、石炭の場合、２．４ｔ／ｈとなり、ＬＮＧの場合１．３ｔ／ｈとなる。

ここで、中空糸膜モジュールは、排ガス中ＣＯ_２濃度とほぼ飽和になるまでＣＯ_２を溶解できる。ここで、中空糸膜は、ＣＯ_２を気泡を発生させずに海水に溶解させることができるため、ＣＯ_２が１００％の場合とみなすことができる。飽和溶解したＣＯ_２濃度は１．４９ｇ／Ｌ(１４９０ｇ／ｔ)である。中空糸膜モジュールの出口でのＣＯ_２濃度（溶解設備出口ＣＯ_２濃度）は、１４９０ｇ／ｔに排ガス中ＣＯ_２濃度を乗ずると計算できる。したがって、石炭の場合、２９８ｇ／ｔとなり、ＬＮＧの場合２０９ｇ／ｔとなる。

以上より、取水管を流れる海水に所定の濃度のＣＯ_２を溶解させるために必要な中空糸膜モジュールへの海水の供給流量（溶解設備海水流量）は、石炭の場合、０．００７８９ｔ／ｈとなり、ＬＮＧの場合０．０１１２７ｔ／ｈとなる。

次に、ガス蒸気タービンと蒸気タービンとの複合ユニットを発電ユニット３０とした場合について検討する。つまり、発電システム１をガス蒸気タービン複合発電所とした場合について検討する。本例では、ガス蒸気タービン複合発電所の燃料を燃焼させた場合のエネルギーバランスを、復水器損失（熱交換器の損失、冷却損失）が３１％、発電機出力が４９％、排ガスが１８％とした。なお、本例は、ＬＮＧを燃料とした場合について検討した。

ガス蒸気タービン複合発電所の冷却に必要な海水量を計算する。上述したエネルギーバランスより、発電機出力：熱交換器の損失＝３１％：３９％＝８６０ＧＪ/ｈ：復水器損失熱量となる。したがって、復水器熱量は、８６０ＧＪ/ｈ×（４１％/４９％）＝５４４ＧＪ/ｈとなる。５４４ＧＪを熱交換する海水流量は、比熱、入口と出口の温度差を考慮すると、５４４［ＧＪ/ｈ］／４．１９［ｋＪ／（ｋｇ℃）］／５［℃］／１０００［ｋｇ/ｔ］＝２６０００［ｔ/ｈ］となる。つまり、出力が１００万ｋＷの発電システムに必要な海水流量は２６０００ｔ／ｈとなる。また、二酸化炭素発生量は、１２０［ｔ/ｈ］×４９［％］／４０［％］＝９８［ｔ/ｈ］となる。

以上より、取水管を流れる海水に所定の濃度のＣＯ_２を溶解させるために必要な中空糸膜モジュールへの海水の供給流量（溶解設備海水流量）は、０．０６２３ｔ／ｈとなる。

表１に示すように、本実施例の発電システムは、いずれの発電方式の場合も、取水管を流れる海水のうち一部を中空糸膜モジュール５０に供給することで、海水に必要な量の二酸化炭素を溶解できることがわかる。

１、１０１、２０１ 発電システム
２ 蒸気タービン建屋
４ 熱交換器
６ 海水循環装置
８ 取水路
１３ 取水管
１４ ポンプ
１７ 放水管
２０ 溶解装置
２２ 散気装置
３０ 発電ユニット
３２ ボイラ
３４ 蒸気タービン
３６ 熱媒循環ライン
３８ 煙道
４０ 排ガス処理装置
４２ 煙突
５０ 中空糸膜モジュール
５２ 供給管
５４ 排出管
５６ 第１ｐＨ計
５８ 第２ｐＨ計
６０ 第１流量調整弁
６２ 第２流量調整弁
６６、６７ 流量計
７０ 制御部
８０ ブロワ
８１ 流量調整弁
８２ 散気部
８３ ｐＨ計
８４ 調節器
９０ ケース
９２ 中空糸膜管
９３ 隔壁
９４ 中空糸膜

Claims (7)

1. 燃料を燃焼させて発電する発電ユニットと、
   前記発電ユニットで発生した排ガスが流れる煙道と、
   ポンプを有し、前記ポンプで海水を送液し、前記発電ユニットと海との間で海水を循環させる海水循環装置と、
   前記海水循環装置の前記ポンプよりも下流を流れる海水に二酸化炭素を溶解させる溶解装置と、を備え、
   前記溶解装置は、二酸化炭素を通過させ海水を通過させない中空糸膜を介して、前記煙道の大気圧雰囲気の領域を流れる少なくとも一部の排ガスと、前記海水循環装置を流れる少なくとも一部の海水と、を接触させ、排ガス中の二酸化炭素を海水に溶解させる中空糸膜モジュールを、有することを特徴とする発電システム。
2. 前記溶解装置は、前記海水循環装置と前記中空糸膜モジュールとを接続し、前記海水循環装置を流れる海水の一部を前記中空糸膜モジュールに供給する供給管と、
   前記海水循環装置の前記供給管よりも海水の流れ方向下流側の部分と前記中空糸膜モジュールとを接続し、前記中空糸膜モジュールを通過した海水を前記海水循環装置に排出する排出管と、を有し、
   前記海水循環装置を流れる海水の一部に二酸化炭素を溶解させた後、二酸化炭素を溶解させた海水を前記海水循環装置に排出することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記中空糸膜モジュールは、前記煙道に設置されていることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
4. 前記海水循環装置の前記供給管と前記排出管との間に配置された第１流量調整弁と、
   前記供給管に配置された第２流量調整弁と、を有し、
   前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁の開度を調整し、前記溶解装置に供給する前記海水の流量を調整する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の発電システム。
5. 前記中空糸膜モジュールは、前記海水循環装置の前記海水を流す配管に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
6. 前記煙道に配置され、前記排ガスに含まれる不純物を低減させる排ガス処理装置をさらに備え、
   前記溶解装置は、前記排ガス処理装置を通過した前記排ガス中の二酸化炭素を前記海水に溶解させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載の発電システム。
7. 前記発電ユニットは、蒸気タービンを有し、
   前記蒸気タービンを通過した熱媒を前記海水で冷却する熱交換器をさらに備え、
   前記海水循環装置は、前記熱交換器に前記海水を供給する取水管と、前記熱交換器を通過した前記海水を排出する放水管と、を備え、
   前記溶解装置は、前記取水管を流れる前記海水に前記排ガス中の二酸化炭素を溶解させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の発電システム。

Images