JP2019167265A - Ammonia decomposition device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アンモニア分解により水素を製造するアンモニア分解装置に関する。 The present invention relates to an ammonia decomposition apparatus for producing hydrogen by ammonia decomposition.
一般的に、発電のための燃焼器に送り込まれる燃料としては、化石燃料が用いられている。周知のように化石燃料の使用量を削減することが環境対策上重視されており、クリーンな水素を燃料とすることは有効な環境対策となる。 Generally, fossil fuel is used as the fuel sent to the combustor for power generation. As is well known, reducing the amount of fossil fuel used is an important environmental measure, and using clean hydrogen as a fuel is an effective environmental measure.
一方、水素は液体になりにくく、輸送が困難である。これに対し、水素そのものではなく、水素含有化合物を水素キャリアとして採用することがある。水素を液体にして輸送するための水素キャリアの一つにアンモニア(NH3)がある。 On the other hand, hydrogen is difficult to become liquid and difficult to transport. On the other hand, not a hydrogen itself but a hydrogen-containing compound may be used as a hydrogen carrier. One of hydrogen carriers for transporting hydrogen as a liquid is ammonia (NH 3 ).
ここで、水素キャリアとしてのアンモニアを使用する場合について、アンモニアを分解して水素(H2)として使用する場合と、アンモニアをそのまま使用する場合がある。 Here, when ammonia is used as a hydrogen carrier, ammonia may be decomposed and used as hydrogen (H 2 ) or ammonia may be used as it is.
アンモニアの分解に用いられる触媒は、アンモニア合成時に使用され高性能であることで知られているRu(ルテニウム)系触媒が有効である。しかしながら、Ru系触媒は高価であり、また、多くのRu系触媒はRu表面が解離吸着した水素原子に覆われることによって、活性低下を起こす現象(水素被毒)を受けやすい。
この水素被毒は、低温で水素分圧が高いほど受けやすく、回避するためには、水素分圧を下げる(低圧で使用する)、高温で用いる必要があった。
As the catalyst used for the decomposition of ammonia, a Ru (ruthenium) -based catalyst that is used at the time of ammonia synthesis and is known to have high performance is effective. However, Ru-based catalysts are expensive, and many Ru-based catalysts are susceptible to a phenomenon (hydrogen poisoning) that causes a decrease in activity when the Ru surface is covered with dissociated and adsorbed hydrogen atoms.
This hydrogen poisoning is more susceptible to the higher the hydrogen partial pressure at low temperatures, and in order to avoid it, it was necessary to lower the hydrogen partial pressure (use it at a low pressure) and use it at a high temperature.
アンモニアを直接燃料として用いる場合には、入手性の良い天然ガスとの混焼が検討されている。例えば、特許文献1では、天然ガスとアンモニアとを燃焼器に供給し、燃焼させている。しかし、このように混焼するとNOxが発生する。このため、還元領域(R2)でNOxを低減したり、廃熱回収ボイラの後流に還元触媒チャンバ(1h)を設けるといった対策が必要であった。
When ammonia is used as a direct fuel, co-firing with natural gas, which is highly available, has been studied. For example, in
本発明は、前記事情に対して、水素被毒を抑えたアンモニア分解装置を安価に提供することを目的とする。
また、本発明に係るアンモニア分解装置を採用する、例えばガスタービンシステムでは、アンモニアを直接に燃焼するのではなく、アンモニアを分解することにより得られた水素を燃焼器に供給し、燃焼させることで、NOxに対する選択触媒還元(SCR)装置の利用を必要最小限に抑えることができる。
An object of the present invention is to provide an ammonia decomposition apparatus that suppresses hydrogen poisoning at low cost.
Further, for example, in a gas turbine system that employs the ammonia decomposing apparatus according to the present invention, instead of directly burning ammonia, hydrogen obtained by decomposing ammonia is supplied to the combustor and burned. The use of a selective catalytic reduction (SCR) device for NOx can be minimized.
前記目的を達成するため、本発明に係るアンモニア分解装置は、アンモニアが分解率50%以上となるまで分解し水素を得るための装置であり、低温作動型触媒(例えば、Ru系触媒)と高温作動型触媒(非Ru系触媒)の両方を組合わせて使用することを特徴とする。反応は以下の式に従って進行する。
NH3→1/2N2 + 3/2H2 (1)
In order to achieve the above object, an ammonia decomposition apparatus according to the present invention is an apparatus for decomposing ammonia until a decomposition rate of 50% or more is obtained to obtain hydrogen, a low temperature operation type catalyst (for example, a Ru-based catalyst) and a high temperature. It is characterized by using a combination of both working catalysts (non-Ru catalysts). The reaction proceeds according to the following formula:
NH 3 → 1 / 2N 2 + 3 / 2H 2 (1)
本発明に係るアンモニア分解装置は、好適な実施の形態で、アンモニア分解触媒を内蔵し、アンモニア入口側に低温作動型触媒を配置し、アンモニア出口側に高温作動型触媒を配置する装置である。分解に要する熱は、非接触の熱媒体により供給される。 The ammonia decomposing apparatus according to the present invention is a preferred embodiment in which an ammonia decomposing catalyst is incorporated, a low temperature operating catalyst is disposed on the ammonia inlet side, and a high temperature operating catalyst is disposed on the ammonia outlet side. The heat required for decomposition is supplied by a non-contact heat medium.
入口側の低温作動型の触媒は、400℃以下の領域でもアンモニアを分解することのできるRu系触媒が好適である。出口側の高温作動型の触媒(非Ru系触媒)としては、400℃を越える温度域で活性を示すNi系触媒、Fe系触媒及びCo系触媒のうち一種又は二種以上を用いることが好適である。高価なRu系触媒を入口側のみに採用することにより、Ru系触媒の使用量を低減することが可能となる。アンモニア分解の反応熱は、加熱用の熱媒体を反応管壁を介して、アンモニアの流れに対して向流に流通することで供給される。
したがって、触媒層アンモニア入口は、触媒層アンモニア出口に比べて温度が低くなる。水素被毒がない高温作動型の触媒を触媒層アンモニア入口で用いる場合には、反応速度を向上させるために温度を維持しなければならず、大量の熱媒体を流通させる必要があった。触媒層アンモニア入口側にRu系触媒を用いることによって低温においても十分な反応速度が得られるため、熱媒体の流量を削減できる効果がある。また、触媒層アンモニア入口は、触媒層アンモニア出口に比べて、反応が進行していないので水素分圧も低く、高圧においても水素被毒を受けにくい。
このように、本発明に係るアンモニア分解装置では、反応進行の度合いに適した複数の触媒を採用することができる。
The low temperature operation type catalyst on the inlet side is preferably a Ru-based catalyst capable of decomposing ammonia even in the region of 400 ° C. or lower. As the high-temperature operation type catalyst (non-Ru catalyst) on the outlet side, it is preferable to use one or more of Ni-based catalyst, Fe-based catalyst, and Co-based catalyst that exhibit activity in a temperature range exceeding 400 ° C. It is. By using an expensive Ru-based catalyst only on the inlet side, it is possible to reduce the amount of Ru-based catalyst used. The heat of reaction for ammonia decomposition is supplied by circulating a heating heat medium countercurrently to the ammonia flow through the reaction tube wall.
Therefore, the temperature of the catalyst layer ammonia inlet is lower than that of the catalyst layer ammonia outlet. When a high-temperature operation type catalyst without hydrogen poisoning is used at the catalyst layer ammonia inlet, the temperature must be maintained in order to improve the reaction rate, and a large amount of heat medium has to be circulated. By using a Ru-based catalyst on the ammonia inlet side of the catalyst layer, a sufficient reaction rate can be obtained even at a low temperature, so that the flow rate of the heat medium can be reduced. In addition, the catalyst layer ammonia inlet has a lower hydrogen partial pressure and is less susceptible to hydrogen poisoning even at higher pressures because the reaction does not proceed compared to the catalyst layer ammonia outlet.
Thus, the ammonia decomposition apparatus according to the present invention can employ a plurality of catalysts suitable for the degree of reaction progress.
アンモニア入口側は、分解された水素が比較的薄い状態であり、通常のRu系触媒であっても水素被毒の問題を低減することができるため、前記構成のアンモニア分解装置は、高性能かつ活性低下を最小限とする分解装置となる。なお、アンモニア出口側にも被毒対策の施されたRu系触媒を充填することにより、全てRu系触媒とすることも可能である。 On the ammonia inlet side, the decomposed hydrogen is in a relatively thin state, and even with an ordinary Ru-based catalyst, the problem of hydrogen poisoning can be reduced. The decomposition apparatus minimizes the decrease in activity. In addition, it is also possible to make all Ru-based catalysts by filling the ammonia exit side with Ru-based catalysts that have been subjected to poisoning countermeasures.
本発明によれば、水素被毒を抑えることにより、高い性能を有するアンモニア分解装置を安価に提供できる。 According to the present invention, by suppressing hydrogen poisoning, an ammonia decomposing apparatus having high performance can be provided at low cost.
以下、本発明に係るアンモニア分解装置並びに該アンモニア分解装置を適用したガスタービンシステム及びその運転方法の実施の形態を添付図面を参照して説明する。 Embodiments of an ammonia decomposition apparatus according to the present invention, a gas turbine system to which the ammonia decomposition apparatus is applied, and an operation method thereof will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明に係るアンモニア分解装置の一実施の形態を示す。
アンモニア分解装置2は、触媒充填部2aと、熱媒体流路2bとを備える。触媒充填部2aは、アンモニア流路を形成し、その周囲を円筒状に熱媒体流路2bが包囲した構成となっている。触媒充填部2aと、熱媒体流路2bとは、互いに流体的に遮断された構成となっている。すなわち、円筒状の触媒充填部2aを円筒状の熱媒体流路2bが包囲しており、図1は、その縦断面を示している。なお、熱媒体としては、燃焼排ガスを例示することができる。
L1〜L4は、流入又は流出ラインを示す。ラインL1〜L4については、図2に示すガスタービンシステムの実施の形態と関連させて後に説明を補足する。
FIG. 1 shows an embodiment of an ammonia decomposition apparatus according to the present invention.
The
L 1 to L 4 indicate inflow or outflow lines. The lines L 1 to L 4 will be described later in connection with the embodiment of the gas turbine system shown in FIG.
触媒充填部2aは、低温作動型の触媒を充填した入口側触媒層11と、高温作動型の触媒を充填した出口側触媒層12との2層より構成されている。なお、入口側とはアンモニアの入口側であり、出口側とは、アンモニアの出口側である。入口側触媒層11と出口側触媒層12のアンモニア流れ方向での充填割合(長さ割合、図中C1:C2)は、充填密度を同一として、C1/C2=1/3〜3/2)が好適である。
低温作動型の触媒は、例えば400℃以下の領域でもアンモニアを分解することのできるRu系触媒が好適である。高温作動型の触媒としては、400℃を越える温度域で活性を示すNi系触媒、Fe系触媒及びCo系触媒のうち一種又は二種以上の非Ru系触媒を例示することができる。もっとも、アンモニア分解特性を備える金属又は金属化合物であれば、高温作動型の触媒として採用することができる。
The
As the low temperature operation type catalyst, for example, a Ru-based catalyst capable of decomposing ammonia even in a region of 400 ° C. or lower is suitable. Examples of the high-temperature operation type catalyst include one or more non-Ru-based catalysts among Ni-based catalysts, Fe-based catalysts, and Co-based catalysts that exhibit activity in a temperature range exceeding 400 ° C. However, any metal or metal compound having ammonia decomposition characteristics can be employed as a high-temperature operation type catalyst.
Ru系触媒として、具体的には、0.1〜10質量%の割合で、好適には0.1〜1.0質量%の割合でRuをAl2O3に担持したRu/Al2O3触媒を例示することができる。なお、担体は、Al2O3に限らず他にもMgO、活性炭、BN等を挙げることができる。 As the Ru-based catalyst, specifically, Ru / Al 2 O in which Ru is supported on Al 2 O 3 at a rate of 0.1 to 10% by mass, preferably 0.1 to 1.0% by mass. Three catalysts can be exemplified. The support is not limited to Al 2 O 3 but may include MgO, activated carbon, BN, and the like.
Ni系触媒として、具体的には、Ni及び/又はNiO等のNi化合物を0.1〜10質量%の割合又はそれ以上の割合でAl2O3に担持したNi/Al2O3触媒を例示することができる。なお、担体は、Al2O3に限らず他にもMgO、活性炭、BN等を挙げることができる。なおまた、担体に担持せずにNiO等のNi化合物(但し、一部を還元金属Niとして含むもの)をNi系触媒として採用することもできる。 Specifically, a Ni / Al 2 O 3 catalyst in which a Ni compound such as Ni and / or NiO is supported on Al 2 O 3 at a rate of 0.1 to 10% by mass or more as a Ni-based catalyst. It can be illustrated. The support is not limited to Al 2 O 3 but may include MgO, activated carbon, BN, and the like. In addition, a Ni compound such as NiO (however, a part including reduced metal Ni) may be employed as the Ni-based catalyst without being supported on the carrier.
Fe系触媒として、具体的には、Fe及び/又はFe2O3等のFe化合物を0.1〜10質量%の割合又はそれ以上の割合でAl2O3に担持したFe/Al2O3触媒を例示することができる。なお、担体は、Al2O3に限らず他にもMgO、活性炭、BN等を挙げることができる。なおまた、担体に担持せずにFe2O3等のFe化合物(但し、一部を還元金属Feとして含むもの)をFe系触媒として採用することもできる。 Specifically, Fe / Al 2 O in which Fe compounds such as Fe and / or Fe 2 O 3 are supported on Al 2 O 3 at a rate of 0.1 to 10% by mass or higher as the Fe-based catalyst. Three catalysts can be exemplified. The support is not limited to Al 2 O 3 but may include MgO, activated carbon, BN, and the like. In addition, an Fe compound such as Fe 2 O 3 (however, a part including reduced metal Fe) can be used as the Fe-based catalyst without being supported on the carrier.
Co系触媒として、具体的には、Co及び/又はCoO等のCo化合物を0.1〜10質量%の割合又はそれ以上の割合でAl2O3に担持したCo/Al2O3触媒を例示することができる。なお、担体は、Al2O3に限らず他にもMgO、活性炭、BN等を挙げることができる。なおまた、担体に担持せずにCoO等のCo化合物(但し、一部を還元金属Coとして含むもの)をCo系触媒として採用することもできる。 Specifically, as a Co-based catalyst, a Co / Al 2 O 3 catalyst in which a Co compound such as Co and / or CoO is supported on Al 2 O 3 at a rate of 0.1 to 10% by mass or higher. It can be illustrated. The support is not limited to Al 2 O 3 but may include MgO, activated carbon, BN, and the like. It is also possible to employ a Co compound such as CoO (provided that part thereof is included as reduced metal Co) as the Co-based catalyst without being supported on the carrier.
図2に、本発明に係るアンモニア分解装置を採用したガスタービンシステムの一実施の形態を示す。
本実施の形態に係るガスタービンシステムは、ガスタービン1と、アンモニア分解装置2とを備える。
ガスタービン1は、圧縮機3、燃焼器4、タービン5を備える。図1のガスタービン1では、圧縮機3とタービン5とが、タービン軸6を介して同軸的に直結している。すなわち、ガスタービン1は、従来知られている一般的な形態で構成されている。なお、7で示したものは、例えば発電機である。
FIG. 2 shows an embodiment of a gas turbine system employing the ammonia decomposition apparatus according to the present invention.
The gas turbine system according to the present embodiment includes a
The
アンモニア分解装置2は、図1に概念的に示した構成を備え、触媒充填部2aと、燃焼排ガス流路2bとを備える。アンモニア分解装置2は、前流に気化器8、後流に冷却器9を備える。なお、10で示したものはポンプである。
The
次に、本実施の形態に係るガスタービンシステムの運転方法を、図1及び図2を参照して説明する。
まず、アンモニア分解装置2でのアンモニアの分解について説明する。
原料となる液化アンモニアは、ポンプ10によって、気化器8で加熱され、アンモニアガスとなってラインL3からアンモニア分解装置2に導入される。気化器8で液化アンモニアを加熱するガスは、タービン5からの排ガスを利用することができる。
Next, an operation method of the gas turbine system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
First, the decomposition of ammonia in the
Liquefied ammonia as a raw material, by a
アンモニアガスは、ラインL3から触媒充填部2aに導入され、入口側触媒層11から出口側触媒層12に流れ、ラインL4から流出する。一方、タービン5からの通常650℃程度の排ガスがラインL1から燃焼排ガス流路2bに導入され、ラインL2から排出される。このようにアンモニアガスと、排ガスが流れることにより、アンモニアガスは、排ガスからの熱を受け、それによって以下の式に従って分解する。
NH3→1/2N2 + 3/2H2 (1)
Ammonia gas is introduced from the line L 3 to the catalyst packed
NH 3 → 1 / 2N 2 + 3 / 2H 2 (1)
ここで、例えば650℃で流入した排ガスは、まず、出口側触媒層12を流れるアンモニアガスを加熱分解する。出口側触媒層12は、高温作動型の触媒を充填しており、その機能を果たす。燃焼排ガスの熱は、アンモニア分解の反応熱により、出口側に近づくに従って、低下する。しかし、入口側触媒層11は、低温作動型の触媒を充填しており、その機能を果たす。このように、反応の進行度合いに応じて作動する温度領域を分担してアンモニアガスを好適に分解し、水素を得ることができる。また、高価なRu系触媒の使用量を少なくするとともに、流路2b部を流れる熱媒体流量を低減することができる。
Here, for example, the exhaust gas flowing in at 650 ° C. first thermally decomposes ammonia gas flowing in the outlet
アンモニア分解装置でのアンモニアの分解は、アンモニアの分解率が50%以上となるまで行うことができる。なお、このように分解する点については、本発明に係るアンモニア分解装置を採用するガスタービンシステムの他の実施の形態でも同様である。 The ammonia decomposition in the ammonia decomposition apparatus can be performed until the ammonia decomposition rate becomes 50% or more. In addition, about the point decomposed | disassembled in this way, it is the same also in other embodiment of the gas turbine system which employ | adopts the ammonia decomposition apparatus which concerns on this invention.
なお、入口側触媒層11では、分解された水素が比較的薄い状態であり、Ru系触媒を採用しても触媒の被毒の問題を低減することができる。なお、入口側の触媒充填部11と出口側の触媒充填部12には、被毒の対策の施されたRu系触媒を採用することも可能であり、双方に被毒の対策の施されたRu系触媒を採用する場合には、図1の形態のように触媒充填部2aを構成せず、全てRu系触媒とすることもできる。
In the inlet
アンモニア分解装置2からの水素を含む分解ガスは、ラインL4を経由して冷却器9で例えば室温(35℃)まで冷却した後、さらにラインL4を経由して圧縮機13で例えば5MPaまで加圧され、燃焼器4に供給される。
Decomposition gas containing hydrogen from the
以上のようにしてアンモニア分解装置2から燃焼器4に水素を供給する、本実施の形態に係るガスタービンシステム全体は、概要として次に説明するように作動する。
The entire gas turbine system according to the present embodiment, which supplies hydrogen from the
図2を参照して、ガスタービン1では、圧縮機3で燃焼用空気を圧縮して燃焼器4に送り込み、燃料である天然ガスを燃焼器4に吹き込んで燃焼させる。その際に発生した高温高圧の燃焼ガスがタービン5を回転させる。タービン軸6は、圧縮機3に圧縮動力を伝え、発電機7で発電する。燃焼ガスは、一般的に、L5を経由して廃熱回収ボイラに送られ、熱回収される。
一方、燃焼器4には、天然ガスに加え、アンモニア分解装置2からラインL4を経由して水素ガスが導入される。すなわち、燃焼器4では、天然ガス及び水素ガスが燃焼する。
Referring to FIG. 2, in
On the other hand, the combustor 4, in addition to natural gas, hydrogen gas is introduced via line L 4 from the
以上、図1、図2について説明した実施の形態によれば、液化アンモニアを排ガスを使用して気化することができる。また、アンモニアを分解するための熱も排ガスを利用して得ることができ、熱効率がよい。
また、燃焼器4で天然ガスと水素を混焼するので、NOxの発生量は、未分解アンモニア分に相当する量のみであり、NOxの発生を低減することができる。
As mentioned above, according to embodiment described about FIG. 1, FIG. 2, liquefied ammonia can be vaporized using waste gas. In addition, heat for decomposing ammonia can be obtained using the exhaust gas, and the heat efficiency is good.
Further, since natural gas and hydrogen are co-fired in the combustor 4, the amount of NO x generated is only the amount corresponding to the undecomposed ammonia content, and the generation of NO x can be reduced.
本発明に係るアンモニア分解装置並びに該アンモニア分解装置を適用したガスタービンシステム及びその運転方法を、前記実施の形態について説明した。しかし、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内における変更・修正・修飾は、全て本発明に含まれる。各実施の形態で現れる具体的数値、例えば温度は一例に過ぎず、当業者の想定する変動は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。 The ammonia decomposition apparatus according to the present invention, the gas turbine system to which the ammonia decomposition apparatus is applied, and the operation method thereof have been described in the above embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and all changes, modifications, and modifications within the scope of the technical idea of the present invention are included in the present invention. Specific numerical values appearing in each embodiment, such as temperature, are merely examples, and all variations assumed by those skilled in the art are included in the technical scope of the present invention.
本発明に係るアンモニア分解装置は、水素キャリアとしてのアンモニアを分解して水素を得るための水素製造装置として利用することができる。加えて、ガスタービンシステム、ボイラ若しくはガスエンジン等の水素を燃料若しくは燃料の一部として利用する機器、装置若しくはシステム等に水素を供給するため、又はそれらのうちいずれかのものの一部に組み込まれるアンモニア分解装置として採用することができる。 The ammonia decomposition apparatus according to the present invention can be used as a hydrogen production apparatus for decomposing ammonia as a hydrogen carrier to obtain hydrogen. In addition, to supply hydrogen to equipment, devices or systems that use hydrogen as a fuel or part of fuel, such as gas turbine systems, boilers or gas engines, or to be incorporated into any of them It can be employed as an ammonia decomposition apparatus.
1 ガスタービン
2 アンモニア分解装置
2a 触媒充填部
2b 熱媒体流路
L1〜L4 流入又は流出ライン
3 圧縮機
4 燃焼器
5 タービン
6 タービン軸
7 発電機
8 気化器
9 冷却器
10 ポンプ
11 入口側触媒層
12 出口側触媒層
13 圧縮機
1
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