JP2596985B2 - 燃料改質システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばガスタービンと、その排熱エネルギ
により駆動される蒸気タービンとを備えた複合発電プラ
ントなどに適用される燃料改質システムに関する。

〔従来の技術〕

従来、ガスタービンと、その排熱エネルギにより駆動
される蒸気タービンとの備えた複合発電プラントにおい
ては、ガスタービンに供給する燃料として液化天然ガス
等のメタン（CH₄）が使用されていたが、最近ではメタ
ノール（CH₃OH）等のアルコール類を燃料として使用す
る試みがなされている（特願昭61−229156号）。

第10図はメタノールを燃料とする従来の複合発電プラ
ントの概略構成を示す図で、同図においてガスタービン
発電系２は燃料ａを圧縮機2cで圧縮された燃焼用空気ｂ
と共に燃焼器１で燃焼させ、その燃焼エネルギによりガ
スタービン2aを駆動し、さらにガスタービン2aのタービ
ン出力によって発電機2bを駆動して発電出力を得るよう
に構成されている。そして、ガスタービン発電系２のタ
ービン排気ｃは、排気ダクト８および排気ダクト８の上
流側端部と下流側端部とを連絡する排気分岐ダクト8aを
通って排出されるようになっている。

上記排気ダクト８内にはタービン排気ｃの排熱を利用
して蒸気４を発生させるボイラ部３が設置されており、
このボイラ部３で発生した蒸気４は蒸気タービン発電系
６に供給され、図示しない蒸気タービンを駆動するよう
に構成されている。また、前記排気分岐ダクト8a内には
燃料ａを触媒の吸熱反応により保有熱量の高い燃料に変
換する反応器７が設置されており、燃料ａは反応器７で
保有熱量を高められた後、ガスタービン発電系２に供給
されるようになっている。なお、排気分岐ダクト8aの入
口部および出口部には分岐ダクト入口ダンパ8bおよび分
岐ダクト出口ダンパ8cが設置されており、これらのダン
パ8b,8cで排気分岐ダクト8aに流入する排ガス量を調整
する構成となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、このような複合発電プラントでは燃料ａの
消費先がガスタービン等の熱源機のみであるため、熱源
機負荷に見合った燃料ａを供給する必要がある。この場
合、従来ではダンパ8b,8cを操作して必要排気量のみを
排気分岐ダクト8aに導入し、残りのタービン排気ｃは排
気ダクト８へ導入する構成となっていたため、排気ダク
ト８内を流れるタービン排気ｃの全てをボイラ部３で蒸
気や温水にして負荷側で全量使用する場合にはプラント
効率を最良に維持できるが、負荷側の熱消費量が少ない
とボイラ部３では必要熱量しか回収しないため、ボイラ
排気温度が高まり、プラント効率が低下するという問題
があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、
その目的は、熱／電力比等の負荷変動を幅広く対応でき
る燃料改質システムを提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明は、原料燃料を触媒
の吸熱反応により保有熱量の高い化学吸熱燃料に変換す
る化学吸熱反応器と、この化学吸熱反応器に熱源を供給
する熱源供給設備と、上記化学吸熱反応器からの化学吸
熱燃料を貯蔵する燃料リザーバと、この燃料リザーバか
らの化学吸熱燃料を触媒の放熱反応により元の原料燃料
に戻す化学放熱反応器と、この化学放熱反応器に冷却媒
体を供給し放熱エネルギを取出す冷媒供給設備と、上記
化学放熱反応器からの原料燃料を貯蔵するとともに前記
化学吸熱反応器に原料燃料を供給する燃料タンクとを具
備したことを特徴とするものである。

〔作 用〕

本発明では化学吸熱反応器からの化学吸熱燃料を燃料
リザーバに貯蔵しておき、熱負荷の必要時に燃料リザー
バに貯蔵された化学吸熱燃料を化学放熱反応器に供給し
て放熱エネルギを取出すようにしたので、熱負荷の変動
に幅広く対応できる。

〔実施例〕

以下、第１図〜第９図を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。

第１図は本発明による燃料改質システムの基本構成を
示す図で、この燃料改質システムは化学吸熱反応器７、
化学放熱反応器９、熱源機（熱源供給設備）10、熱負荷
（冷媒供給設備）11、燃料タンク12、燃料リザーバ13、
燃料消費設備14を備えて構成されている。

前記化学吸熱反応器７は、燃料タンク12からの燃料
（液体）ａを触媒の吸熱反応により保有熱量の高い化学
吸熱燃料（気体）ｄに変換するためものもで、たとえば
第３図に示す如く予熱器7a、蒸発器7b、加熱器7c、触媒
反応器7d、過熱器7eを備えて構成されている。上記予熱
器7aは燃料ａを予熱するためのもので、予熱器7aで予熱
された燃料ａは蒸発器7bで気化され、さらに加熱器7cで
加熱された後、触媒反応器7dに導入される構成となって
いる。この触媒反応器7dには燃料ｅを化学吸熱反応させ
る触媒が充填されており、触媒反応器7dに導入された燃
料ａは化学吸熱反応を起こし、熱源機10から供給される
熱媒ｅの熱エネルギを吸熱するようになっている。そし
て、触媒反応器７を出た化学吸熱燃料ｄは加熱器7eで昇
温された後、燃料リザーバ13に貯えられる構成となって
いる。なお、触媒反応器7dに充填する触媒としては種々
のものが考えられ、燃料ａが例えばメタノールの場合に
は分解触媒（貴金属系,Ni系）や水蒸気改質触媒（Cu
系）などが考えられる。

前記化学放熱反応器９は、燃料リザーバ13からの化学
吸熱燃料ｄを触媒の放熱反応により元の燃料ａに戻すた
めのもので、たとえば第５図（ａ）〜（ｃ）に示すよう
に外管9aの内管9bとの間に形成される環状通路に触媒9d
を充填し、燃料リザーバ13からの化学吸熱燃料ｄを内管
9bおよび触媒層9dを通して燃料タンク12へ戻す構造とな
っている。そして、外管9aの外側には熱負荷11からの冷
媒ｆが流れており、この冷媒ｆで触媒層9dを冷却すると
ともに、放熱エネルギを取出す構造となっている。な
お、図中9cは上部鏡板、9eは下部鏡板である。また、第
５図（ｂ）は冷媒ｆを水とした場合の化学吸熱反応器周
辺の構成例を示すもので、この例では化学吸熱燃料d4を
化学吸熱反応で合成燃料d5に置換した後、冷却器17で冷
却し、さらに凝縮器18で凝縮して燃料a3を得ている。そ
して、凝縮器18からは未反応分（気体）を抽気し、循環
機19で昇圧して再び化学放熱反応器９に送り込む。給水
f1は冷却器17で予熱し、蒸気ドラム16に供給する。蒸気
ドラム16からの降水管は反応部９の下部と接続されてお
り、外管9aの外側に形成された冷媒流路を上昇するに伴
い蒸気を発生する。冷媒流路で発生した蒸気は蒸気ドラ
ム16で気水分離した後、熱負荷11へ供給される。

なお、第５図（ｂ）の化学放熱反応器９で得られる蒸
気は蒸気ドラム16の内圧に見合った飽和蒸気であるが、
さらに高温の過熱蒸気とする場合は（ｃ）のような構成
とする。すなわち、触媒層9dの上部に高温触媒9fを配置
し、その外側に蒸気流路9gを確保する。触媒層9dと蒸気
流路9gとは遮断されているので、蒸気ドラム16を出た飽
和蒸気f2は蒸気流路9fを流れる間に過熱され、過熱蒸気
f3となる。一方、熱負荷の条件により高温水が必要な場
合は蒸気ドラム16からドラム水f4を取出すか、または熱
媒流路9aの途中から所望の水温ｔ℃の水f5を取出すこと
が可能である。また、流体f3,f4,f5の温度を一定に制御
する場合は熱源となるd4の流量調整を行なうとともにド
ラム圧力とバイパス蒸気f4の調節を行なう。

次にガスタービン排気ｃに対する実施例を第２図に示
す。同図（ａ）は化学吸熱反応器７が加熱器7eを持たな
い場合の実施例で、同図（ｂ）は化学吸熱反応器７が加
熱器7eを持つ場合の実施例であり、燃料タンク12に貯蔵
された燃料（液体）ａは、ラインa2にて化学吸熱反応器
７に供給される。化学吸熱反応器７からの化学吸熱燃料
２はラインd1にてガスタービン2aの燃焼器１へ供給され
る。この場合、弁V1は所定開度に制御され、弁V2は全
開、弁V3は全閉となる。弁V2および弁V3はラインの切替
え弁であり、燃料リザーバ13の燃料を用いるときは弁V2
を全閉、弁V2を全開としてラインd3にて化学吸熱燃料ｄ
を供給する。

また、ガスタービン2aの起動に際しては燃料リザーバ
13に貯蔵されている燃料やラインa1にて供給される燃料
タンク12の原料燃料ａを使用し、ガスタービン排気温度
T1を昇温し、化学吸熱反応器７を作動させたのち、ライ
ンd1,d2を活かす。なお、ガスタービン発電系２で消費
しない残りの化学吸熱燃料ｄは冷却器15で減温した後、
燃料リザーバ13に貯えられる。

ガスタービン2aでは排気熱の30〜40％が自ら消費する
燃料に活用されるため、残りの70〜60％の熱つまりガス
タービン2aの定格燃料量の約２倍が燃料リザーバ13に蓄
積されることになる。燃料リザーバ13に貯蔵された化学
吸熱燃料ｄはラインd4にて化学放熱反応器９に供給さ
れ、触媒のもとで元の原料燃料ａに合成される。そし
て、このとき熱負荷11の冷媒ｆを循環させ、化学放熱反
応器９を冷却して吸熱することにより、熱負荷11に熱を
供給する。冷媒ｆにはあらゆるものが応用できるが、化
学放熱反応器９に水を供給して蒸気として熱回収する場
合であれば、熱負荷11は蒸気タービン、吸収冷凍器、プ
ロセス機器等の蒸気消費機器を適用することが考えられ
る。

化学吸熱反応器７の触媒反応器7dが使われない場合
は、ガスタービン2aの起動直後から反応器入口温度T₁
が所定の温度に到達し、ウォーミングアップが完了する
までの時期、システム停止動作でガスタービン2aを停
止するに際して、触媒反応器7dを停止し、クーリングダ
ウンをしている期間、化学吸熱反応器７を段階的に建
設する場合で、予熱器7a、蒸発器7b、加熱器7c（場合に
よっては触媒反応器7dも）を備え、触媒反応器7dが配設
されていないか、あるいは配設されていても全く機能し
ない場合などがあげられる。この場合は加熱器7c出口Ｄ
点から加熱燃料蒸気を取出し、弁V5を開弁して燃焼器１
に投入する。燃料蒸気をさらに加熱する場合はルートD1
にて加熱器7eで昇温し、Ａ点からガスタービン2aへ供給
する。ガスタービン2aへ供給する燃料は弁V2,V1を経由
して燃焼器１に供給される。なお、メタノール分解の場
合の熱回収による燃料のカロリーアップの一例を第４図
に示す。

また、メタノール合成の場合、一般に多用されている
合成触媒はCu系で、反応温度は約200℃であるが、本実
施例で用いる合成触媒は今後開発されるもの（特に高温
で反応する触媒）も含めた中で最適のものとし、特に指
定はしない。

第６図ないし第８図は本発明の他の実施例を示す図
で、第６図（ａ）は排気ダクト８内にボイラ部３を配置
し、分岐ダクト8a内に反応器７を配置したものである。
また、同図（ｂ）はダクトからのタービン排気ｃを別個
に排出するもので、反応器７とボイラ部３の運用上の干
渉を少なくしたものである。

第７図は化学吸熱反応器７をガスタービン排気の中に
配置する直接熱交換方式と、ガスタービンの排熱を一旦
反応器用熱媒ｈに回収し、この熱媒ｈを熱媒熱交換器20
と反応器７との間で循環させる間接熱交換方式とを組合
せたものである。なお、第７図の（ａ）（ｂ）は分岐ダ
クト方式、（ｃ）（ｄ）は単一ダクト方式であるが、
（ｃ）のようにボイラ部３で発生する蒸気や高温水を熱
媒として用いることにより機器の簡素化を図ることが可
能である。また、第８図は化学吸熱燃料を化学原料とし
て使用する場合の実施例を示すもので、同図において21
は化学プロセス、22はガス分離、23はプロセス副生ガ
ス、24は高圧蒸気ヘッダ、25は低圧蒸気ヘッダ、26は給
水（もどり水）タンク、27は高温水タンク、28は中間水
タンク、29は熱需要である。

第９図は上述したシステム運用での熱利用状況を示す
もので、同図（ａ）は熱源機10の負荷（発電量又は機械
駆動力）に対する燃料投入と熱回収の状況を示したもの
である。熱源機10は化学吸熱燃料で運転され、負荷に対
して直線Ｉの傾向を持ち、負荷100％でのＩの値を熱利
用100％として他の特性の評価を行なうものとする。な
お、同図はガスタービン発電系の場合を示したもので、
ガスタービンの特徴として無負荷においても燃料投入な
らびに排気熱量が存在している。排気熱量IIはガスター
ビン効率が部分負荷で悪くなる傾向に従って次第に熱源
機投入熱量Ｉに近付く特性を持つ。システム投入熱量II
Iは化学吸熱によるカロリーアップ分Ｉより少なく燃料
が節約されている。IVはガスタービン排気熱量IIから有
効に回収できる熱量を示し、IVのうちガスタービンへ投
入する化学吸熱燃料のカロリーアップ分Ｖを差し引いた
残りのVIがシステムとして利用可能な総熱量である。総
熱量VIから熱需要に見合った蒸気（ならびに温水）回収
熱量を差し引いた残りを反応器７の化学吸熱量とバラン
スさせる。つまり、第９図（ｂ）に示す如く仮に熱需要
VIIが負荷によらず一定の運用をしながら100％から０％
まで負荷を変化させるとした場合、余剰熱VIIIは化学吸
熱して燃料リザーバ13に蓄熱し、不足熱IXは化学放熱反
応器９で賄うことができる。なお、VIII〜IXの差に対し
てどこまで対応できるかは、リザーバ13の容量、反応器
7,9の応答性、システムの応答性等によって異なる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、化学反応を応用
した吸熱・放熱ならびに化学吸熱燃料の保持により、シ
ステムの要求される熱／電力比に幅広く対応できる。ま
た、吸熱は化学組成の変化に転換され、エネルギーレベ
ルの高い状態を室温で維持できるため、一般の高温蓄熱
につきものの保存中の熱損失が存在せず、蓄熱効率が極
めて高い。さらに蓄熱・放熱の時間的なずれは要因から
外れ、時間単位の熱負荷平準化から月単位・季節単位の
熱負荷平準化まで可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第９図は本発明の実施例を説明するための図
で、第１図は燃料改質システムの構成図、第２図（ａ）
（ｂ）は燃料改質システムを複合発電プラントに適用し
た実施例を示す図、第３図は化学吸熱反応器の構成を示
す図、第４図は化学吸熱反応器での熱回収例を示す図、
第５図（ａ）〜（ｃ）は化学放熱反応器の構成を示す
図、第６図（ａ）（ｂ）はガスタービン排気分岐ダクト
に化学吸熱反応器を配置した例を示す図、第７図（ａ）
〜（ｄ）は間接熱交換方式を用いた場合の実施例を示す
図、第８図は直接熱交換方式と間接熱交換方式を組合わ
せた実施例を示す図、第９図（ａ）（ｂ）は熱の利用状
況を示す図、第10図は従来の複合発電プラントの概略構
成図である。 ７……化学吸熱反応器、９……化学放熱反応器、10……
熱源機、11……熱負荷、12……燃料タンク、13……燃料
リザーバ、14……燃料消費設備。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料燃料を触媒の吸熱反応により保有熱量
   の高い化学吸熱燃料に変換する化学吸熱反応器と、この
   化学吸熱反応器に熱源を供給する熱源供給設備と、上記
   化学吸熱反応器からの化学吸熱燃料を貯蔵する燃料リザ
   ーバと、この燃料リザーバからの化学吸熱燃料を触媒の
   放熱反応により元の原料燃料に戻す化学放熱反応器と、
   この化学放熱反応器に冷却媒体を供給し放熱エネルギを
   取出す冷媒供給設備と、上記化学放熱反応器からの原料
   燃料を貯蔵するとともに前記化学吸熱反応器に原料燃料
   を供給する燃料タンクとを具備したことを特徴とする燃
   料改質システム。