JP2016183641A

JP2016183641A - 発電設備

Info

Publication number: JP2016183641A
Application number: JP2015065101A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　武治; Takeji Hasegawa; 武治長谷川; 高橋　毅; Takeshi Takahashi; 高橋　　毅
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-10-20

Abstract

【課題】大掛りな設備や管理を必要せずに、水素を燃料として使用することができる発電設備を提供する。
【解決手段】アンモニアタンク４から、水素のキャリアとしてのアンモニアをボイラ２に投入し、系内のボイラ２の熱源を用いた水素発生手段によりアンモニアの一部から水素を得て、ボイラ２の燃料として投入し、大掛りな設備や管理を必要せずに、水素を燃料として使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を燃料として使用することができる発電設備に関する。

燃焼ボイラで蒸気を発生させて蒸気タービンを駆動する火力発電設備や、圧縮流体と共に燃料を燃焼させ、燃焼ガスを膨張タービンで駆動する火力発電設備が知られている。火力発電設備の燃焼ボイラの燃料としては、微粉炭や天然ガス等が適用され、火力発電設備の燃焼器の燃料としては、石炭ガス化ガスや天然ガス等が適用されているのが一般的である。

ところで、各種プラントの運転に伴い水素が発生し、その水素を燃焼ボイラの燃料とする技術が提案されている（例えば、特許文献１）。また、排気ガスの二酸化炭素を低減して排気ガスの温度を高温に維持する必要を抑制するために、燃焼器の燃料として水素を用いた技術が提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献１、特許文献２に開示された技術では、貯留した水素を供給する設備を備え、必要に応じて燃焼ボイラや燃焼器に水素を直接供給する構成となっている。

燃料としての水素を貯留したり搬送したりする場合、燃料の物性を変化させない状況に管理する必要がある等のため、大掛りな設備や搬送機器を必要としている。このため、多くの水素を燃料として使用するためには、大掛りな設備や厳格な管理が必須であり、専門の供給事業者等が必要であり、発電設備の施設の管理範囲で水素を燃料として普及させるには至っていないのが現状である。

特開２０１４−１７８０４０号公報特開２０１４−１３４１０５号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、大掛りな設備や管理を必要せずに、水素を燃料として使用することができる発電設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の発電設備は、燃料が投入される燃焼手段と、前記燃焼手段により得られるエネルギーにより発電を行う発電手段と、前記燃焼手段にアンモニアを投入するアンモニア投入手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、アンモニア投入手段から水素のキャリアとしてのアンモニアを燃焼手段に投入するので、大掛りな設備や管理を必要せずに、水素を燃料として使用することができる。

そして、請求項２に係る本発明の発電設備は、請求項１に記載の発電設備において、系内の熱源を用いて、前記アンモニア投入手段から投入されるアンモニアの一部から水素を得る水素発生手段と、前記水素発生手段で得られた水素を前記燃焼手段に投入する水素投入手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、系内の熱源を用いた水素発生手段によりアンモニアの一部から水素を得ることができ、得た水素を燃料として投入することができる。水素を燃焼手段に直接投入した場合、燃焼手段で窒素酸化物を還元することができる。

また、請求項３に係る本発明の発電設備は、請求項２に記載の発電設備において、前記燃焼手段は、炉内で燃料が燃焼されることで蒸気を発生させるボイラであり、前記発電手段は、前記ボイラで発生した蒸気を膨張して発電動力を得る蒸気タービンであり、前記水素発生手段は、前記ボイラの熱を用いて前記アンモニアから水素を発生する手段であることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、蒸気タービンの駆動用の蒸気を発生させるボイラの燃料として水素のキャリアであるアンモニアを用いることができ、ボイラの熱で水素を発生させることができる。

また、請求項４に係る本発明の発電設備は、請求項２に記載の発電設備において、前記燃焼手段は、燃料が投入されて燃焼ガスを得る燃焼器であり、前記発電手段は、前記燃焼器で得られた燃焼ガスを膨張して発電動力を得るガスタービンであり、前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備え、前記水素発生手段は、前記排熱回収の熱を用いて前記アンモニアから水素を発生する手段であることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、ガスタービンの駆動用の燃焼ガスを得る燃焼器の燃料として水素のキャリアであるアンモニアを用いることができ、ガスタービンの排気ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラの熱で水素を発生させることができる。

また、請求項５に係る本発明の発電設備は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電設備において、前記燃焼手段の排気ガスの脱硝を行う脱硝手段を備え、前記水素発生手段に適用されるアンモニアは、前記脱硝手段に供給されるアンモニアの一部であることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、系の内部に備えられた脱硝手段に用いられるアンモニアを燃焼手段に投入することができ、別途、アンモニアを供給するための設備を必要としない。

本発明の発電設備は、大掛りな設備や管理を必要せずに、水素を燃料として使用することが可能になる。

本発明の第１実施例に係る発電設備の概略系統図である。本発明の第２実施例に係る発電設備の概略系統図である。本発明の第３実施例に係る発電設備の概略系統図である。本発明の第４実施例に係る発電設備の概略系統図である。本発明の第５実施例に係る発電設備の概略系統図である。本発明の第６実施例に係る発電設備の概略系統図である。本発明の第７実施例に係る発電設備の概略系統図である。本発明の第８実施例に係る発電設備の概略系統図である。

図１から図４にはボイラで発生した蒸気により駆動される蒸気タービンを備えた発電設備の概略系統を示してあり、図１は第１実施例、図２は第２実施例、図３は第３実施例、図４は第４実施例である。また、図５から図８には燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるガスタービンを備えた発電設備の概略系統を示してあり、図５は第５実施例、図６は第６実施例、図７は第７実施例、図８は第８実施例である。

図１から図４に基づいて蒸気タービンを備えた発電設備を説明する。図１から図４に示した部材で同一の部材には同一符号を付してある。

第１実施例
図１に示すように、発電設備１は、水素のキャリアであるアンモニアを燃料とする燃焼手段としてのボイラ２が備えられ、ボイラ２により生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービン３が備えられている。ボイラ２には燃料としてアンモニアタンク４に貯留された水素のキャリアとしてのアンモニアが投入され、アンモニアの燃焼により蒸気が生成される。

ボイラ２で発生した蒸気が蒸気タービン３に導入されて駆動力が得られる。蒸気タービン３が駆動することにより、発電機５で発電出力が得られる（発電手段）。蒸気タービン３の排気蒸気は復水器６で凝縮されて復水され、復水器６からの復水はボイラ２に給水される。

ボイラ２の排気ガスは、脱硝装置７（脱硝手段）でＮＯ_ｘが除去された後、煙突から大気に放出される。脱硝装置７にはアンモニアタンク４からアンモニアが供給され、排ガス中にアンモニアが投入されてＮＯ_ｘが浄化される。アンモニアタンク４からは、燃料としての水素のキャリアであるアンモニアをボイラ２に供給できるようになっている（アンモニア投入手段）。

アンモニアタンク４のアンモニアの一部がボイラ２で加熱されることで水素を得るようになっている（水素発生手段）。つまり、水素発生手段は、アンモニア投入手段から投入されるアンモニアの一部から水素を得る構成となっている。ボイラ２で加熱されて得られた水素は、ボイラ２に供給されるアンモニアに投入される（間接的に燃焼手段に投入される：水素投入手段）。ボイラ２で加熱された高温の水素がアンモニアに投入されるので、ボイラ２での燃焼を安定させることができる。尚、水素投入手段を省略することも可能である。

上述した発電設備１は、アンモニアタンク４から、水素のキャリアとしてのアンモニアをボイラ２に投入するので、大掛りな設備や管理を必要せずに、水素を燃料として使用することができる。そして、系内のボイラ２の熱源を用いた水素発生手段によりアンモニアの一部から水素を得ることができ、得た水素をボイラ２の燃料として投入することができる。

第２実施例
図２に示すように、発電設備１１は、石炭（微粉炭）を燃料とするボイラ２が備えられ、ボイラ２には燃料として石炭（微粉炭）が投入され、石炭の燃焼により蒸気が生成される。アンモニアタンク４に貯留された水素のキャリアとしてのアンモニアが微粉炭に投入され、ボイラ２で加熱されて得られた水素は、ボイラ２に供給されるアンモニアに投入される（間接的に燃焼手段に投入される：水素投入手段）。

発電設備１１は、微粉炭を主燃料とするボイラ２に水素のキャリアであるアンモニアを投入することができる。

第３実施例
図３に示すように、発電設備１２は、石炭（微粉炭）を燃料とするボイラ２が備えられ、ボイラ２には燃料として石炭（微粉炭）が投入され、石炭の燃焼により蒸気が生成される。アンモニアタンク４に貯留された水素のキャリアとしてのアンモニアが微粉炭に投入され、ボイラ２で加熱されて得られた水素は、ボイラ２に投入される。水素がボイラ２に直接投入され、ボイラ２で窒素素酸化物を還元することができる。

尚、アンモニアタンク４に貯留されたアンモニアをボイラ２に投入し、ボイラ２で加熱されて得られた水素を微粉炭に投入することも可能である。

第４実施例
図４に示すように、発電設備１３は、石炭（微粉炭）を燃料とするボイラ２が備えられ、ボイラ２には燃料として石炭（微粉炭）が投入され、石炭の燃焼により蒸気が生成される。アンモニアタンク４に貯留された水素のキャリアとしてのアンモニアがボイラ２に投入され、ボイラ２で加熱されて得られた水素は、アンモニアが投入される位置の上流側に、独立してボイラ２に投入される。アンモニアと水素が独立してボイラ２に直接投入されるので、アンモニアと水素を任意の割合に調整することができる。

尚、水素が投入される位置の下流側のボイラ２に、アンモニアを投入することも可能である。

図５から図８に基づいてガスタービンを備えた発電設備を説明する。図５から図８に示した部材で同一の部材には同一符号を付してある。

第５実施例
図５に示すように、発電設備２１は圧縮機２２及びガスタービン２３を備え、圧縮機２２で圧縮された圧縮空気と水素のキャリアであるアンモニアが燃焼手段としての燃焼器２４に送られる。燃焼器２４には燃料としてアンモニアタンク２５に貯留された水素のキャリアとしてのアンモニアが投入される（アンモニア投入手段）。

燃焼器２４からの燃焼ガスはガスタービン２３で膨張されて動力が得られ、発電機２９が駆動される（発電手段）。ガスタービン２３の排気ガスは排熱回収ボイラ２６で熱回収され、脱硝装置２７（脱硝手段）でＮＯ_ｘが除去された後、煙突から大気に放出される。脱硝装置２７にはアンモニアタンク２５からアンモニアが供給され、排ガス中にアンモニアが投入されてＮＯ_ｘが浄化される。

アンモニアタンク２５のアンモニアの一部が排熱回収ボイラ２６で加熱されることで水素を得るようになっている（水素発生手段）。つまり、水素発生手段は、アンモニア投入手段から投入されるアンモニアの一部から水素を得る構成となっている。排熱回収ボイラ２６で加熱されて得られた水素は、燃焼器２４に供給されるアンモニアに投入される（間接的に燃焼手段に投入される：水素投入手段）。排熱回収ボイラ２６で加熱された高温の水素がアンモニアに投入されるので、燃焼器２４での燃焼を安定させることができる。尚、水素投入手段を省略することも可能である。

上述した発電設備２１は、アンモニアタンク２５から、水素のキャリアとしてのアンモニアを燃焼器２４に投入するので、大掛りな設備や管理を必要せずに、水素を燃料として使用することができる。そして、系内の排熱回収ボイラ２６の熱源を用いた水素発生手段によりアンモニアの一部から水素を得ることができ、得た水素を燃焼器２４の燃料として投入することができる。

第６実施例
図６に示すように、発電設備３１は、石炭ガス化ガスや天然ガス等のガス燃料（または液体燃料）を燃料とする燃焼器２４が備えられ、燃焼器２４にはガス燃料が投入され、ガス燃料の燃焼により高温・高圧の燃焼ガスが得られる。アンモニアタンク２５に貯留された水素のキャリアとしてのアンモニアがガス燃料に投入され、排熱回収ボイラ２６で加熱されて得られた水素は、ガス燃料に投入されに供給されるアンモニアに投入される（間接的に燃焼手段に投入される：水素投入手段）。

発電設備３１は、石炭ガス化ガスや天然ガス等のガス燃料を主燃料とする燃焼器２４に水素のキャリアであるアンモニアを投入することができる。

第７実施例
図７に示すように、発電設備３２は、石炭ガス化ガスや天然ガス等のガス燃料（または液体燃料）を燃料とする燃焼器２４が備えられ、燃焼器２４にはガス燃料が投入され、ガス燃料の燃焼により高温・高圧の燃焼ガスが得られる。アンモニアタンク２５に貯留された水素のキャリアとしてのアンモニアがガス燃料に投入され、排熱回収ボイラ２６で加熱されて得られた水素は、燃焼器２４に投入される。水素が燃焼器２４に直接投入され、燃焼器２４で窒素素酸化物を還元することができる。

尚、アンモニアタンク２５に貯留された水素のキャリアとしてのアンモニアを燃焼器２４に直接投入し、排熱回収ボイラ２６で加熱されて得られた水素をガス燃料に投入することも可能である。

第８実施例
図８に示すように、発電設備３３は、石炭ガス化ガスや天然ガス等のガス燃料（または液体燃料）を燃料とする燃焼器２４が備えられ、燃焼器２４にはガス燃料が投入され、ガス燃料の燃焼により高温・高圧の燃焼ガスが得られる。アンモニアタンク２５に貯留された水素のキャリアとしてのアンモニアが燃焼器２４に投入され、排熱回収ボイラ２６で加熱されて得られた水素は、独立して燃焼器２４に投入される。アンモニアと水素が独立して燃焼器２４に直接投入されることで、アンモニアと水素を任意の割合に調整することができる。

尚、燃焼手段を備えた再燃型の排熱回収ボイラを適用した場合、排熱回収ボイラ２６で加熱されて得られた水素の一部（もしくは全部）を排熱回収ボイラ２６の燃焼手段に投入することも可能である（図中点線で示してある）。この場合、アンモニアタンク２５に貯留されたアンモニアの一部を排熱回収ボイラ２６の燃焼手段に投入することも可能である（図中点線で示してある）。

上述した発電設備は、アンモニア投入手段から水素のキャリアとしてのアンモニアを燃焼手段に投入するので、大掛りな設備や管理を必要せずに、水素を燃料として使用することができる。

本発明は、水素を燃料として使用することができる発電設備の産業分野で利用することができる。

１、１１、１２、１３、２１、３１、３２、３３発電設備
２ボイラ
３蒸気タービン
４アンモニアタンク
５、２９発電機
６復水器
２２圧縮機
２３ガスタービン
２４燃焼器
２５アンモニアタンク
２６排熱回収ボイラ
２７脱硝装置

Claims

燃料が投入される燃焼手段と、
前記燃焼手段により得られるエネルギーにより発電を行う発電手段と、
前記燃焼手段にアンモニアを投入するアンモニア投入手段とを備えた
ことを特徴とする発電設備。
請求項１に記載の発電設備において、
系内の熱源を用いて、前記アンモニア投入手段から投入されるアンモニアの一部から水素を得る水素発生手段と、
前記水素発生手段で得られた水素を前記燃焼手段に投入する水素投入手段とを備えた
ことを特徴とする発電設備。
請求項２に記載の発電設備において、
前記燃焼手段は、炉内で燃料が燃焼されることで蒸気を発生させるボイラであり、
前記発電手段は、前記ボイラで発生した蒸気を膨張して発電動力を得る蒸気タービンであり、
前記水素発生手段は、前記ボイラの熱を用いて前記アンモニアから水素を発生する手段である
ことを特徴とする発電設備。
請求項２に記載の発電設備において、
前記燃焼手段は、燃料が投入されて燃焼ガスを得る燃焼器であり、
前記発電手段は、前記燃焼器で得られた燃焼ガスを膨張して発電動力を得るガスタービンであり、
前記ガスタービンの排気ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備え、
前記水素発生手段は、前記排熱回収の熱を用いて前記アンモニアから水素を発生する手段である
ことを特徴とする発電設備。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電設備において、
前記燃焼手段の排気ガスの脱硝を行う脱硝手段を備え、
前記水素発生手段に適用されるアンモニアは、前記脱硝手段に供給されるアンモニアの一部である
ことを特徴とする発電設備。