JP2575888B2

JP2575888B2 - 発電プラント

Info

Publication number: JP2575888B2
Application number: JP22954389A
Authority: JP
Inventors: 正敏久留; 英哉光畑; 精一白川; 信明村上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-09-05
Filing date: 1989-09-05
Publication date: 1997-01-29
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: JPH0392510A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、化石燃料を使用するが、化石燃料の燃焼に
伴うCO₂等の環境破壊物質の発生を抑制した無公害発電
プラントに係る。

従来の技術化石燃料を使用する発電方式として当分野で従来より
広く利用されているガスタービン発電プラントの例を第
４図に示す。

この種のガスタービン発電プラントにおいては、燃料
（例えば天然ガス）ホルダー101から燃料管102を経て燃
焼器115へ供給される燃料は、空気吸込口116より空気ダ
クト117を経て空気圧縮機145により加圧された後、該燃
焼器115に供給される燃焼空気と混合燃焼し、高温燃焼
ガスとなる。一般に、燃焼器における燃焼に当たって
は、燃料が炭化水素（CmHn）であり、酸化剤として空気
（N₂約80％,O₂約20％モル比）が用いられ、空気比（理
論空気量に対する燃焼空気量比）が通常２〜３である
為、燃焼ガスはCO₂、N₂、H₂O等が主成分となる。この燃
焼ガスは、タービン130で膨張して機械的エネルギーを
生じ、空気圧縮機145及び発電機131を駆動し、発電を行
なう。タービン130で仕事をした燃焼ガスは排ガスとな
り、煙道を経て煙突より大気へ放出される。

発明が解決しようとする課題従来の発電方式では、炭化水素をそのままで燃料とし
て使用し、空気をそのままで酸化剤として使用している
為、下記の問題点があった。

Ｉ環境破壊物質の排出（１）NOx,NyOの排出従来の方式では、燃料を空気で高温燃焼させる為、燃
焼空気中のN₂が酸化され（N₂＋O₂→2NO,N₂＋2O₂→2N
O₂）、大量のNOx等の公害物質が生成される。従って、
燃焼ガスを大気へ放出する前にこれら窒素酸化物を除去
することが必要である。

このような窒素酸化物の除去の方法として、触媒を利
用し、NH₃を燃焼ガスに注入してN₂とH₂Oに還元する（4N
O＋4NH₃＋O₂→4N₂＋6H₂O）方法が採用されているが、触
媒装置、NH₃注入設備の設置に伴う建設費の増加、これ
らの設備の設置に伴う圧力損失等の増加によるプラント
効率の低下、NH₃注入に伴う運転経費の増加及び残留NH₃
に伴う２次公害の問題が付随することとなる。更に、燃
焼ガス中にSOxが含まれていると残留NH₃と反応し、酸性
硫安が生成され（NH₃＋SO₃＋H₂O→NH₄HSO₄）、後流側に
設備されている機器での堆積・閉塞の問題や腐食の問題
が惹起される。

（２）CO₂の排出燃料が炭化水素（CmHn）である為、これを燃焼すると
CO₂及びH₂Oとなって大気へ放出される。近年明らかにさ
れつつあるが、CO₂は化学的に安定な物質であり、成層
圏に蓄積して地球の温度効果を生ずるので、燃焼ガスを
大気に放出する前に分離除去し、大気に再放出されない
様に固定化することが必要である。

しかしながら、CO₂を燃焼ガスより分離することに関
しては、燃料を空気比2.5〜３で燃焼させているので、C
O₂は大量の燃焼ガス中に希釈された状態で存在し、燃焼
ガスの温度も高い（体積流量が大きい）為、CO₂分離設
備は大型化し、建設費の増大を招くのみならず、分離の
為の消費動力も大きくなり、プラントの熱効率が低下す
る問題がある。

さらに、分離したCO₂の固定化の方法としては、ドラ
イアイスにして海洋投棄する、サンゴに吸収させる、植
物の光合成反応を利用する、メタノールを合成する等い
ろいろ模索されている状況であるが、名案がないのが実
情であり、後述の如く燃料の使用量を減少させることが
唯一の可能性の高い方法とされている。

IIプラント発電効率が低いことプラントの高効率は燃料の節約の観点のみならず、CO
₂等の環境破壊物質発生量低減の観点からも重要であ
る。しかし、従来の方式では、タービン入口圧力が低く
（10〜30kg/cm²a）、タービン排気圧力は凡そ大気圧で
あり、タービンにおける膨張比が小さく、従ってタービ
ンにおける機械エネルギーへの変換による動力回収が少
なく、タービン排気損失が大きい為、プラントの熱効率
は30〜35％である。効率向上を図るため、後流に蒸気タ
ービンサイクルを設備して複合発電プラント化しても、
熱効率は40〜45％である。この様に、50％以上の熱損失
を伴っており、高効率化は重要な課題である。

課題を解決するための手段発明者らは、予め、燃料を改質してH₂及びCO₂若しく
はCOとし、改質ガスをH₂とCO₂若しくはCOとに分離する
と共に、燃焼用空気をO₂とN₂とに分離し、それぞれ分離
されたH₂とO₂とを燃焼させて高温高圧水蒸気とし、ター
ビンを駆動させて発電を行い、一方、残りのCO₂又はC
O、及びN₂を尿素及び／又はメタノールの合成に使用
し、これにより、CO₂等の環境破壊物質を大気中に排出
することなく発電できることを見出し、本発明に至っ
た。

本発明の目的は、化石燃料を使用するが、該燃料の燃
焼に伴う環境破壊物質の発生を抑制した発電プラントに
おいて、（１）化石燃料をH₂及びCO₂若しくはCOに改質
する燃料改質器、（２）前記燃料改質器で生成された改
質ガスをH₂とCO₂若しくはCOとに分離する改質ガス分離
器、（３）空気をO₂とN₂とに分離する空気分離器、
（４）前記改質ガス分離器からのH₂供給管及び前記空気
分離器からのO₂供給管を介して接続した水素・酸素燃焼
タービン、（５）該タービンに連結した発電機、及び
（６）前記改質ガス分離器からのCO₂及び一部のH₂又は
外来のH₂及び前記空気分離器からのN₂を使用して尿素を
合成する尿素合成装置、又は前記改質ガス分離器からの
CO₂又はCO及び一部のH₂又は外来のH₂を使用してメタノ
ールを合成するメタノール合成塔を包含することを特徴
とする発電プラントを提供することにある。

作用（１）燃料の改質、分離燃料を改質し更に、COをCO₂へシフト反応させて（mCO＋mH₂O→mCO₂＋
mH₂）、燃料をCO₂（mCO₂）ととし、圧力スイング吸着分離法（PAS）又は膜分離によ
り改質ガスをCO₂とH₂とに分離する。

（２）空気の分離上記燃料を完全燃焼するに必要な空気量（理論空気
量）をO₂及びN₂に分離する。

（３）燃焼燃料として上記の燃料改質によって得られたH₂（昇圧
した後）を、空気分離により得られたO₂（昇圧した後）
で燃焼させる発生した超高温高圧水蒸気に、水又は低温蒸気を混合
し、所定の温度に調整して高温蒸気タービンを駆動させ
る。蒸気タービン出口には復水器を設置し、高真空度
（例えば0.05kg/cm²a）まで膨張させる。水は一部リサ
イクル（改質、タービン入口温度制御用）させ、一部は
系外に供給する。

（４）CO₂の固定化・有効利用尿素の製造上記改質で得られたH₂の一部、又は外部より供給され
たH₂（水の電気分解、炭化水素の改質により製造）と、
空気分離で得られたN₂とによりNH₃を製造する（N₂＋3H₂
→2NH₃）。ついで、このNH₃とCO₂とを反応させて尿素を
製造する（CO₂＋2NH₃→（NH₂）₂CO＋H₂）。

燃料組成に応じて発電又は尿素製造のいずれに重点を
置くかにより、又CO₂放出をどの程度に抑制するかによ
り、分離空気量、NH₃製造量、（NH₂）₂CO製造量を調整
する。

なお、尿素は肥料及び尿素樹脂として有用な物質であ
る。

メタノール合成上記の改質で得られたH₂の一部、又は外部より供給さ
れたH₂（水の電気分解、又は炭化水素の改質により製
造）と、回収したCO₂との間において、触媒下でメタノ
ール合成を行なわせる（CO₂＋3H₂→CH₃OH＋H₂O）。

メタノールは燃料及び化学工業原料として有用物質で
ある。

別法としては、化石燃料をCOとH₂に改質し該H₂の一部又は外部より供給されるH₂とCOよりメタノー
ルを合成する（CO＋2H₂→CH₃OH）。

この方法は、COをCO₂まで燃焼させた後メタノールを
合成するのではなく、COの状態からメタノールを合成す
るもので、メタノール合成が容易である。

次に、本発明の好適な具体例を示す第１図ないし第３
図を参照して、本発明の発電プラントについて詳述す
る。なお、図面において、同一の符号は同一の部材を示
す。

実施例１尿素製造発電プラント燃料を改質して得られた水素及び空気分離により得ら
れた酸素で高温高圧蒸気を発生して蒸気タービン発電機
を駆動し、分離されたCO₂、N₂及びH₂により尿素を製造
する発電プラントの例について説明する。該プラントシ
ステムの基本構成を第１図に示す。

燃料ホルダー１より燃料供給管２を介して供給される
燃料（炭化水素）を燃料加熱器３における改質ガスとの
熱交換によって加熱し、混合器４にて蒸気を混入した
後、改質器５にて改質し、CO及びH₂の混合ガスとする。
この改質ガスは燃料加熱器３において燃料を加熱してCO
変換に適した温度となってCO変換器９に到る。なお、改
質器には、所定の改質温度に維持する為、燃料及び酸素
が供給される。本例では、この燃焼生成ガス（CO₂,H₂O
が成分）（６）も混合器７で改質ガスに混入されてい
る。CO変換器９には蒸気（８）が混入され、CO₂、H₂に
変換される。この改質ガスは、その後燃焼用酸素加熱器
10で熱交換を行った後、改質ガス分離装置11にてH₂とCO
₂とに分離される。分離されたH₂及びCO₂は夫々圧縮機1
3,26で昇圧される。H₂はH₂ガスダクト12,14を経て燃焼
機15に供給される。

一方、空気は吸込口16より吸気され、空気ダクト17を
経て空気分離器18へ供給され、ここでO₂とN₂とに分離さ
れる。O₂は圧縮機19で昇圧された後、一部は改質器５へ
供給され、残りの大部分は酸素加熱器10を経て燃焼器15
へ供給される。この酸素の供給量は燃焼器15に供給され
た水素の理論モル等量である為、燃焼器15では水蒸気の
みとなる。なお、燃焼器には低温蒸気又は温水が混入さ
れ、燃焼器出口温度が所定温度に制御された後、タービ
ン30へ導入され、タービン発電機31を駆動して電力を発
生する。タービン出口には給水加熱器32が設置されてお
り、タービン排熱を回収して給水を加熱している。低温
に冷却されたタービン排気は復水器33にて凝縮する。こ
の為、タービン排気は高真空まで膨張できるので、高い
タービンプラント効率が得られる。復水は給水ポンプ34
で昇圧され、一部は給水加熱器32へ給水管35を経て供給
される。給水加熱器で蒸気又は温水となった給水は、燃
焼器の温度制御用、燃料改質用及びCO変換用に使用され
る。又、燃焼にて発生した水蒸気は水タンク36に蓄えら
れた後、系外へ供給される。

空気分離器18で分離されたN₂は、その必要量が圧縮機
23で昇圧後、NH₃合成塔24に導入される。このNH₃合成塔
24では、N₂は前記圧縮機13で昇圧され且つ水素ガスダク
ト37を経て同じく供給される水素と反応してNH₃を生成
する。このアンモニア（NH₃）は、改質ガス分離装置11
にて分離され、圧縮機26で昇圧され且つCO₂ガスダクト2
7を経て供給されるCO₂ガスと共に尿素合成塔28に供給さ
れ、触媒を利用して尿素が製造される。製造された尿素
は配管を経て貯槽29に蓄えられる。

なお、空気分離器18で分離されたN₂のうちNH₃合成に
使用されない余剰N₂は、ダクト21を経て貯槽22に蓄えら
れてNH₃の製造、シール用不活性ガス等に利用される。

上記の様に燃料を改質し、高圧に加圧されたH₂を燃料
とし、空気分離により得られ、加圧されたO₂を酸化剤と
して発生した高圧高温の蒸気を高真空度まで膨張させ、
高効率無公害発電を行なうと共に、副生のCO₂、N₂及びH
₂（一部又は全部系外より供給される）を用いて尿素を
合成し、CO₂の固定化のみならず、有用な物質に変換す
ることができる。

実施例２メタノール製造発電プラント燃料を改質して得られる水素を燃料とし、空気を分離
して得られる酸素を酸化剤として高圧高温の水蒸気を発
生し、該高温高圧の蒸気を蒸気タービンで高真空まで膨
張させて高効率発電を行なうことは実施例１と同じであ
る。本例は、改質により得られたCO₂ガスと、改質によ
り得られたH₂の一部又は外部より供給されるH₂を用いて
メタノール（CH₃OH）を合成するメタノール製造プラン
トを併設したことを特徴とする。以下に、第２図を参照
して、実施例１と相違するプラント構成について説明す
る。

改質ガス分離器11にて分離されたCO₂は、圧縮機26に
より昇圧され、CO₂ダクト27を経てメタノール合成塔47
へ供給される。また、外部又は改質からのH₂が、マニホ
ルド45から圧縮機46により昇圧された後、該メタノール
合成塔47に供給される。供給されたCO₂及びH₂は触媒を
利用してメタノールに合成され（CO₂＋3H₂→CH₃OH＋H
₂O）、配管43を経て貯槽44に蓄えられる。

この様に、燃料改質、酸素燃焼により高効率無公害発
電を行なうと共に、副生CO₂を活用してメタノールを合
成することができる。

実施例３メタノール製造発電プラント燃料を改質してCOとH₂とし、このH₂を空気分離で得ら
れたO₂で燃焼して高圧高温の水蒸気とし、蒸気タービン
で高効率無公害発電を行なうことは実施例１と同様であ
る。本例では、改質により得られたCOガスを、改質によ
り得られたH₂又は外部より供給されるH₂と反応させてメ
タノールを製造する（CO＋2H₂→CH₃OH）メタノール製造
プラントを併設し、高効率無公害運転を行ない乍ら、同
時にメタノールを製造することを特徴とする発電プラン
トに関するものである。

第３図において、燃料は燃料改質器５にてH₂及びCOに
改質され、燃料加熱器３及び酸素加熱器10での熱交換
後、改質ガス分離器39に入る。この改質ガス分離器39で
分離されたCOガスは圧縮機40で昇圧された後、COガスダ
クト41を経てメタノール合成塔42に供給される。メタノ
ール合成塔42では、改質により得られたH₂又は外部から
供給されるH₂と反応してメタノールを生成する（CO＋2H
₂→CH₃OH）。本方式の特徴は、改質ガスをCO₂変換する
前にCOを分離し、メタノールを製造する点にあり、この
点において前記実施例２のものと相違する。

発明の効果本発明による発電プラントでは下記の効果が得られ
る。

１燃料を改質して得られたH₂を、空気分離により得ら
れるO₂で燃焼させることにより、蒸気ボイラでは発生不
可能な高圧高温の蒸気を発生することができる。この高
圧高温の水蒸気をタービンで高真空まで膨張させること
により、効率は60％にも及び、高効率発電が可能とな
る。又生成物はH₂Oのみで、NOx、SOx、煤塵、COxの発生
を全く伴わない無公害発電である。発電設備としては、
蒸気タービンプラントのみ（ボイラ不要）で構成される
ため非常にシンプルとなり、建設費を低減できる。

２副生物のCO₂は、プラントにて得られる水素又は外
部より供給される水素及び空気分離により得られるN₂と
の間での反応を活用して尿素（（NH₂）₂CO）に変換さ
れ、肥料及び尿素樹脂原料として利用される。従って、
地球温暖化の原因とされるCO₂の排出がないだけでな
く、有効利用が可能となる。又、尿素は肥料として樹木
の成長を促進する為、CO₂低減に有効である。

３副生物CO₂又はCOと、プラントにて製造される水素
又は外部より供給されるH₂を利用してメタノールを合成
することにより、CO₂の大気放出を抑制できると共に、
有効利用が可能になる。メタノールは化学工業用原料及
び燃料として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る尿素製造発電プラン
トのシステム構成図、第２図は第２実施例に係るメタノ
ール製造（CO₂からのメタノール合成）発電プラントの
システム構成図、第３図は第３実施例に係るメタノール
製造（COからのメタノール合成）発電プラントのシステ
ム構成図、第４図は従来のガスタービン発電プラントの
システム構成を示す図である。１……燃料ホルダー、５……改質器、９……CO変換器、
11……改質ガス分離装置、12……H₂ガスダクト、13……
圧縮機、15……燃焼器、16……空気吸込口、18……空気
分離器、20……酸素ダクト、21……N₂ガスダクト、24…
…NH₃合成塔、27……CO₂ダクト、28……尿素合成塔、30
……タービン、31……発電機、39……改質ガス分離器、
42……メタノール合成塔、47……メタノール合成塔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村上信明長崎県長崎市飽の浦町１番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (56)参考文献特開昭64−66406（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】化石燃料を使用するが、該燃料の燃焼に伴
う環境破壊物質の発生を抑制した発電プラントにおい
て、（１）化石燃料をH₂及びCO₂若しくはCOに改質する
燃料改質器、（２）前記燃料改質器で生成された改質ガ
スをH₂とCO₂若しくはCOとに分離する改質ガス分離器、
（３）空気をO₂とN₂とに分離する空気分離器、（４）前
記改質ガス分離器からのH₂供給管及び前記空気分離器か
らのO₂供給管を介して接続した水素・酸素燃焼タービ
ン、（５）該タービンに連結した発電機、及び（６）前
記改質ガス分離器からのCO₂及び一部のH₂又は外来のH₂
及び前記空気分離器からのN₂を使用して尿素を合成する
尿素合成装置、又は前記改質ガス分離器からのCO₂又はC
O及び一部のH₂又は外来のH₂を使用してメタノールを合
成するメタノール合成塔を包含することを特徴とする、
発電プラント。