JP2607313B2

JP2607313B2 - 燃焼方法および燃焼装置

Info

Publication number: JP2607313B2
Application number: JP3057230A
Authority: JP
Inventors: 康夫森
Original assignee: 康夫森
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: JPH05320669A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼方法および燃焼装
置に関し、特に、排出燃焼ガス中に炭酸ガス量がほとん
ど無い燃焼方法及びこの方法を実施するための装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、大気中の炭酸ガスの増加による地
球環境に対する温室効果などによる気候、生物などへの
悪影響が、真剣に地球規模により国際的に取り上げられ
ており、地球環境への各種の悪影響や、大気中の炭酸ガ
ス量と、海洋中に溶解している炭酸ガス量などの議論が
なされているが、今後、人類のエネルギー消費量が、益
々増加することが予想されるにもかかわらず、現在消費
されているエネルギーの大部分を発生するために使用さ
れている化石燃料を燃焼させる燃焼装置における炭酸ガ
スの排出量を少なくするか、あるいは、ほとんど無くす
具体的な手段が、ほとんど考えられていないのが現状で
ある。

【０００３】従来、この種の燃焼装置は、熱エネルギー
を必要とするほとんどすべての装置に使用されており、
例えば、大型ボイラに使用されている燃焼装置の代表的
なものは、ガス燃料を使用する場合には、添付図面の図
３に示すような構成を有している。すなわち、ボイラ
は、燃焼装置から煙突を経て大気中に排出される排ガス
の温度を許される限り下げ、燃焼装置の熱利用効率を高
めるために、燃焼ガスが流れる煙道１２の中の最も下流
に、大気温度の燃焼用空気Ｏの温度を煙突１３に送る直
前の燃焼ガスにより高めるための空気予熱器１７があ
り、これにより予熱された空気Ｏによりガス燃料Ｎを燃
焼器１４において燃焼させ、１，５００℃前後の温度の
燃焼ガスを得るようにしている。この時、燃料中に含ま
れる炭素は、すべて炭酸ガスとなり、燃焼ガス中に、水
蒸気及び窒素と共に混合ガスを形成している。

【０００４】一方、火力発電所などにおいては、燃焼装
置などにおいて高い熱利用効率により水蒸気を生成する
ために、蒸気タービンの抽気により復水を加熱する給水
加熱器により、２５０℃前後に加熱された高圧の給水Ｗ
を節炭器１６に導き、これを飽和温度近くまで加熱し、
その飽和に近い状態の給水Ｗｏを、高温の燃焼ガスが流
れる燃焼室１１の周壁に、取り付けられた水冷壁管１０
において飽和水蒸気になるまで、ふく射熱と、強制対流
との伝熱の態様により加熱し、この飽和水蒸気を過熱器
１５により過熱水蒸気Ｓとした後、高圧蒸気タービンな
どに送る。この場合、燃焼ガスは、燃焼室１１の下流に
おいて１，５００℃ 前後の温度であるが、水冷壁管１
０の下流において８００℃〜１，０００℃ となり、
過熱器１５により５００℃〜６００℃ まで飽和水蒸
気を過熱することにより温度が低下し、節炭器１６の出
口において２００℃〜２５０℃ となり、更に、空気
予熱器１７において、約１４０℃ 前後まで温度が低下
し、炭酸ガスは、燃焼排ガス中に含まれたまま、すべて
煙突１３から大気中に放出される。

【０００５】このように、従来のボイラを始め、化石燃
料を使用するすべての燃焼装置においては、化石燃料の
中に含まれる炭素は、燃焼する際に、すべて空気中の酸
素と反応して炭酸ガスとなり、後に煙道中を流れ、その
熱エネルギーを水あるいは水蒸気に伝え、最終的には、
１４０℃ 前後の温度となった排ガスに含まれて大気中
に放出される。従って、従来の燃焼装置を使用する限り
は、人類のエネルギー消費が増加すると共にエネルギー
の供給の大部分を現在のように化石燃料を直接的に燃焼
させて得られる燃焼ガスを使用し、火力発電や、各種内
燃機関などにより電力や、動力に変えている限りは、炭
酸ガスは、大気中に益々多く放出される結果となり、地
球の環境に悪影響を与える温室効果の主原因と言われる
大気中の炭酸ガスの加速度的な増大をもたらすことは、
十分に予期されるところである。なお、化石燃料は、こ
のようにボイラなどにおいて使用されるだけでは無く、
その燃料ガスは、ガスタービンプラントなどの駆動用エ
ネルギーとしても使用され、この場合にも、この燃焼ガ
スは、ガスタービンに動力を発生させた後、炭酸ガスを
含んだ排気ガスとして大気中に放出され、地球環境に悪
影響を与えることは、ボイラなどの場合と同様である。

【０００６】本出願人は、このような事情を考慮に入
れ、この問題を解決するために、既に、「排出燃焼ガス
中に炭酸ガス量がほとんどない燃焼方法及び燃焼装置」
の発明を提案しているが（特願平１−２３６６４号）
（平成１年２月３日特許出願）（特開平０２-２０６６
８９号公報）、この発明は、燃料ガスを直接的に燃焼さ
せること無く、これを燃焼させる前に、これを高温水蒸
気と反応させることにより炭化水素改質反応を行わせ、
これにより、水素と、炭酸ガスとの混合ガスから成る改
質混合ガスを生成し、この改質混合ガスを炭酸ガス吸収
液を通過させることにより、炭酸ガスを炭酸ガス吸収液
に吸収させ、この場合に、炭酸ガスを除いた改質混合ガ
スの主成分である水素を燃料ガスとして燃焼させて必要
とする加熱を行い、一方、炭酸ガス吸収液に吸収された
炭酸ガスは、炭酸ガス吸収液から、液相又は固相として
回収・除去することを特徴とするものである。

【０００７】この先の発明によっても、排出燃焼ガス中
に炭酸ガス量をほとんど無くすという目的を達成するこ
とは可能であるが、炭酸ガス吸収液の長時間使用による
性能の低下や、改質混合ガスから炭酸ガスを分離するこ
ととその液化との過程を別個の装置により行わせるよう
に成っているので、装置が大型となり、その操作も複雑
であるという問題点のあることが見い出された。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
点を解消するためになされたもので、ボイラやガスター
ビンなどにおける燃料ガスの燃焼において、その排出燃
焼ガス中に炭酸ガスをほとんど無くすことができるとと
もに、使用する装置も簡単な構造で長時間の使用に耐え
ることのできる燃焼方法および装置を提供することを目
的としている。なお、本発明の他の目的は、先に提案し
た燃焼方法と燃焼装置において、特に、燃焼装置の簡略
化と長寿命化を図ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、炭化水素、又は、炭化水素と一酸化炭素
の混合燃料ガス、あるいは、石炭などの化石燃料のガス
化により得られる燃焼用ガスなどの燃料ガスの燃焼方法
において、燃料ガスを、燃焼させる前に、予熱して高温
水蒸気と触媒上において反応させ、この炭化水素改質反
応により水素と炭酸ガスから成る改質混合ガスに改質
し、この改質混合ガスを加圧下に水素の液化温度より高
い炭酸ガスの液化温度まで冷却して、この改質混合ガス
中の炭酸ガスを液化するとともに分離し、分離した液化
炭酸をそのまま深海に導いて投棄するとともに、この炭
酸ガスが分離された水素を主成分とする改質混合ガス
を、各種の加熱装置が必要とする熱量を発生させるため
に燃焼させるものである。なお、炭化水素改質反応にお
いて、高温水蒸気を炭化水素改質反応に必要な量論比以
上に添加することが望ましい。

【００１０】また、この方法を実施するのに適した装置
としては、各種加熱装置の主燃焼装置に併設された、予
熱した燃料ガスを、水蒸気と触媒上にて反応させて水素
と炭酸ガスとから成る改質混合ガスに変える炭化水素改
質部と、炭酸ガスを液化、分離する炭酸ガス液化分離部
とを有する燃焼装置において、前記炭化水素改質部が、
燃料ガス圧縮機と、炭化水素改質用水予熱器および炭化
水素改質用水蒸気過熱器と、圧縮された燃料ガスと過熱
水蒸気とを混合して予熱する炭化水素改質用混合ガス予
熱器と、炭化水素改質用触媒を備えた炭化水素改質反応
部と、この炭化水素改質反応部を加熱するための炭化水
素改質部燃焼器とから成り、そして、炭酸ガス液化分離
部が、改質混合ガスから水分を分離する水分離器と、水
分が分離された改質混合ガスを圧縮するための低温圧縮
機と、圧縮された改質混合ガス中の炭酸ガスを液化する
液化冷凍機を備えるとともに炭酸ガスと分離した水素を
主成分とする改質混合ガスを前記主燃焼装置へ供給する
ための管路を備えた炭酸ガス液化分離器と、この炭酸ガ
ス液化分離器から液化炭酸を排出するための液化炭酸ポ
ンプと、この液化炭酸ポンプに接続された深海に達する
管とから成っているものである。さらに、装置として
は、炭化水素改質反応部燃焼器に供給される空気を予熱
するための空気予熱器を、その燃焼ガスの排出通路に備
えていることが望ましい。

【００１１】

【作用】燃料ガスを、燃焼させる前に、予熱して高温水
蒸気と触媒上において反応させ、この炭化水素改質反応
により水素と炭酸ガスから成る改質混合ガスに改質し、
この改質混合ガスを加圧下に水素の液化温度より高い炭
酸ガスの液化温度まで冷却して、この改質混合ガス中の
炭酸ガスを液化するとともに分離し、分離した液化炭酸
をそのまま深海に導いて投棄するとともに、この炭酸ガ
スが分離された水素を主成分とする改質混合ガスを、各
種の加熱装置が必要とする熱量を発生させるために燃焼
させるものであるから、排出燃焼ガス中に炭酸ガス量を
ほとんど無くすことができるとともに、改質混合ガスか
ら炭酸ガスを分離して液化する工程が従来の数工程から
一工程へと簡略化されると同時に使用する装置の寿命が
長くなった。また、加圧下で冷却され、液化分離した液
化炭酸をそのまま深海に導いて投棄するので、投棄のた
めに格別のエネルギーや手段を必要とせずに、環境に悪
影響を及ぼすことがない。なお、炭化水素改質反応にお
いて、高温水蒸気を炭化水素改質反応に必要な量論以上
に添加する場合には、炭素の分離による触媒表面の汚染
がなく、炭化水素改質反応を長時間効果的に行うことが
できる。

【００１２】また、装置としては、炭酸ガス液化分離部
を、改質混合ガスから水分を分離する水分離器と、水分
が分離された改質混合ガスを圧縮するための低温圧縮機
と、圧縮された改質混合ガス中の炭酸ガスを液化する液
化冷凍機を備えるとともに液化した炭酸ガスと分離した
水素を主成分とする改質混合ガスを前記主燃焼装置へ供
給するための管路を備えた炭酸ガス液化分離器と、この
炭酸ガス液化分離器から液化炭酸を排出するための液化
炭酸ポンプと、この液化炭酸ポンプに接続された深海に
達する管とから構成したので、上記燃焼方法を最も効果
的に実施することができる。なお、炭化水素改質部燃焼
器に供給する空気を予熱するための空気予熱器をその燃
焼ガスの排出通路に備える場合には、それだけ熱エネル
ギーを有効に利用することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明をその１実施例を示す添付図面
の図１及び２に基づいて、詳細に説明をする。最近、ク
リーンなエネルギーとして電力の利用が非常に増加して
いるが、図１は、その電力の多くを発電している火力発
電所のボイラに、本発明装置の１実施例を装備した場合
を略図により示すものであり、また、このボイラの燃焼
装置においては、メタンを燃料として使用するものと仮
定する。まず、このボイラは、大きく分けてＩ水蒸気発生部ＩＩ炭化水素改質部ＩＩＩ炭酸ガス液化分離部から成り立っているが、本発明装置は、これらの各部分
の内、主として、部分II及びIIIから構成されているも
のである。さて、これらの各部分の内、水蒸気発生部Ｉ
は、図１に示すように、周壁面を水冷壁管１０により包
囲されている垂直な中空室状の燃焼室１１と、燃焼室１
１の頂部に連結された中空室状の水平な煙道１２と、そ
の端部に連結された垂直な中空状の煙突１３とから構成
されており、燃焼室１１の底部近くには、主燃焼器１４
が設置されている外、煙道１２の内部には、その上流部
分に、水冷壁管１０に連結された水蒸気過熱器１５が設
置されると共にその下流には節炭器１６が設置されてお
り、更に、その下流には、空気予熱器１７が設置されて
いる。このようにして、後に詳細に説明をするように、
従来のボイラの場合と同様に、外部から節炭器１６へ水
蒸気発生用水Ｗ₀を供給し、この供給水Ｗ₀が、節炭器１
６により予熱された後、燃焼室を包囲している水冷壁管
１０及び煙道１２内に設置された水蒸気過熱器１５を通
して流れる間に、主燃焼器１４において、それに送られ
る燃料ガスＮが、同様に、主燃焼器１４に空気予熱器１
７から送られて来る予熱空気Ｏにより燃焼されることに
より発生する高温燃焼ガスにより加熱されることによ
り、水蒸気過熱器１５から過熱水蒸気Ｓとして取り出
し、これにより、蒸気タービンなどを駆動するようにす
る。

【００１４】次に、炭化水素改質部ＩＩ及び炭酸ガス液
化分離部ＩＩＩは、ボイラに別置して併設されており、
炭化水素改質部ＩＩは、図１の左下半分に示すように、
メタンＭなどの炭化水素燃料を圧縮する燃料ガス圧縮機
２５と、炭化水素改質用水予熱器２３および炭化水素改
質用水蒸気過熱器２４と、圧縮された燃料ガスである炭
化水素と加熱水蒸気とが混合された混合ガスを予熱する
炭化水素改質用混合ガス予熱器２２と、炭化水素改質用
触媒を備えた炭化水素改質反応部２１と、この炭化水素
改質反応部２１を加熱するための炭化水素改質部燃焼器
２０と、炭化水素改質部燃焼器用空気予熱器２６とから
構成されており、また、炭酸ガス液化分離部ＩＩＩは、
同様に、図１の右下半分に示すように、改質された改質
混合ガスから水分を分離する水分離器３０と、この水分
離器３０に接続された水循環ポンプ３４と、水分が分離
された改質混合ガスを圧縮するための低温圧縮機３５
と、圧縮された改質混合ガス中の炭酸ガスを液化させる
ための液化冷凍機３２を備えるとともに炭酸ガスの分離
された水素を主成分とする改質混合ガスを前記主燃焼装
置へ供給するための管路を備えた炭酸ガス液化分離器３
１と、この炭酸ガス液化分離器３１から液化炭酸を排出
するための液化炭酸ポンプ３３と、この液化炭酸ポンプ
３３に接続された深海に達する管とから構成されてい
る。

【００１５】まず、炭化水素改質部ＩＩにおいては、そ
の炭化水素改質反応部２１において炭化水素改質反応が
行われるが、炭化水素改質反応は、２０気圧前後が適当
な作動圧力であり、炭化水素燃料として、例えば、メタ
ンＭを使用する場合には、これを炭化水素圧縮機２５に
より２０気圧程度に圧縮すると、メタンＭは約４００℃
の温度となり、一方、あらかじめ適当な手段により２０
気圧前後の圧力に加圧されている炭化水素改質用水Ｗ_R
は、炭化水素改質用水予熱器２３において、炭化水素改
質反応部２１を出た約８００℃の改質混合ガスＭ₀によ
り加熱されて湿り水蒸気となった後、この湿り水蒸気
は、更に、炭化水素改質用水蒸気過熱器２４において改
質混合ガスＭｏにより過熱され、約４２０℃の過熱水蒸
気となり、この過熱水蒸気Ｗ_Rは、メタンＭと混合され
るが、このメタンＭは、上記のように、炭化水素圧縮機
２５により加圧されることにより加熱され、約４００℃
となっている。

【００１６】このように、過熱水蒸気Ｗ_Ｒ。とメタン
Ｍとから成る混合ガスは、炭化水素改質用水予熱器２２
において、炭化水素改質部燃焼器２０からの燃焼ガスに
より約７２０℃まで予熱され、炭化水素改質反応部２１
に送られる。この炭化水素改質反応部２１は、炭化水素
改質反応触媒、例えば、ラシリング状にしたニッケル触
媒などを充填した多数の管から成り立っており、これら
の管内を炭化水素改質用過熱水蒸気Ｗ_Ｒと高温度のメタ
ンＭとの混合ガスが通過する間に、この炭化水素改質反
応部２１を形成する管の外部を通過する、炭化水素改質
部燃焼器２０からの高温燃焼ガスにより加熱されること
により、炭化水素改質用過熱水蒸気Ｗ_ＲとメタンＭとの
間に、炭化水素改質反応が起こり、例えば、メタンＭ
と、炭化水素改質用過熱水蒸気Ｗ_Ｒの場には、１分子の
ＣＯ_２と、４分子の水素Ｈ_２とから成る改質混合ガスＭ
ｏを得ることが出来る。

【００１７】また、炭化水素改質部燃焼器２０において
発生する燃焼ガスは、炭化水素改質反応部２１を加熱し
た後、炭化水素改質用混合ガス予熱器２２において炭化
水素改質反応前の混合ガスを予熱し、更に、その熱エネ
ルギーを最後まで有効に使用するために、炭化水素改質
部燃焼器用空気予熱器２６に送られ、炭化水素改質部燃
焼器２０の燃焼に使用する空気を３００℃まで予熱し、
また、その排ガスは、メタンの代わりに液体炭化水素燃
料を使用する時は、そのガス化などに利用される。

【００１８】次ぎに、炭酸ガス液化分離部ＩＩＩにおい
ては、炭化水素改質反応部２１において、炭素などの分
離による触媒表面の汚染が無いようにするために、炭化
水素改質反応部２１に送られる混合ガスの中には、水蒸
気が余分に含まれるようにするが、このために炭化水素
改質用水予熱器２３において放熱した改質混合ガスＭｏ
の中に含まれる水分を、まず、水分離器３０において、
炭酸ガス液化分離器３１から出た低温の水素との熱交換
により凝縮させ、これにより得られた水分Ｗ_R”は、炭
化水素改質反応に再利用するために、循環ポンブ３４に
より圧力を上げ、新たに導入した炭化水素改質用水
Ｗ_R’と混合し、炭化水素改質用水Ｗ_R（Ｗ_R’＋Ｗ_R”）
とし、また、このようにして温度を下げられた改質混合
ガスＭｏは、炭酸ガス液化分離器３１に送られる。

【００１９】炭酸ガス液化分離器３１は、炭酸ガスの凝
縮器としての役割を持つものである。ここで、改質混合
ガスＭｏは、低温圧縮機３５により約２０気圧以上まで
加圧された後、炭酸ガス液化分離器３１に送られ、液化
炭酸となるのに必要な温度と流量の冷媒が循環している
冷凍機３２により約−４０℃以下の炭酸ガスが固相には
凝縮しないような温度で冷却される。この場合、改質混
合ガスＭｏ中の水素の液化温度は−２５０℃よりも低い
ので、改質混合ガスＭｏは、炭酸ガス液化分離器３１に
おいて、液体の液化炭酸と残りの水素を主成分とする気
体の改質混合ガスとに容易に分離され、この水素を主成
分とする改質混合ガスは、水分離器３０において冷却さ
れた後、燃焼装置の主燃焼器１４及び炭化水素改質反応
部燃焼器２０へ燃料ガスＮとして供給される。なお、こ
の炭酸ガス液化分離器３１は、先に本出願人により提案
されている発明におけるように、炭酸ガス吸収液あるい
は吸着面などを使用しないので、長時間の使用による性
能の低下は全く起こらない。

【００２０】このようにして得られた液化炭酸は、図示
しない輸送管を介して深海に輸送されるが、この場合、
この輸送のために生ずる圧力損失に相当する圧力だけ高
めるために、液化炭酸ポンプ３３が使用される。このよ
うに、液化炭酸は、常に、約２０気圧以上に加圧されて
いるので、輸送の途中において管外の海水により加熱さ
れても、管内において液化炭酸の蒸発は全く起こらな
い。なお、深海において放出するに当たり、管に空けら
れた多くの細孔から順次少しづつ乱流状態にして放出す
れば、海水の広い範囲に拡散、溶解させることができ、
海洋環境を害することがない。

【００２１】以上には、本発明装置の１実施例を、これ
を装備したボイラの構成と共に説明をしたが、次ぎに、
その全体的な作用を詳細に説明する。本発明において
は、ボイラの主燃焼器１４における燃料Ｎとして、水素
を主成分とする燃料ガスを使用するので、その燃焼ガス
のボイラの水冷壁管１０及び燃焼室１１の部分における
伝熱は、ガスふく射と、対流とにより行われ、また、水
素ガスＮは、燃焼室１１の中において、空気予熱器１７
により予熱された空気比約１．５の予熱空気Ｏにより燃
焼するが、燃焼室１１の出口において、水冷壁管１０へ
の伝熱による放熱のために、燃焼ガスは、約１，１００
℃前後になる。燃料ガスは、水素であり、炭素原子を含
まないので、燃焼時に発生する燃料窒素酸化物は無く、
従って、排ガス中の窒素酸化物は、従来の燃焼器による
ものよりも、遥かに少ない。このようにして、水冷壁管
１０への伝熱により予熱された飽和水蒸気となったボイ
ラ水は、更に、水蒸気過熱器１５により高温・高圧の過
熱水蒸気Ｓとなり、タービンなどに送られ、燃焼ガス
は、従来のボイラにおけるのと同様に、水冷壁管１０、
水蒸気過熱器１５、節炭器１６、空気予熱器１７におい
て放熱し、煙突１３を経て約１４０℃で大気に排出さる
ことは、従来のボイラの場合と同様である。

【００２２】なお、本発明は、前述したように、本出願
人の先の出願に係る発明に改良を加えたものであり、特
に、炭酸ガスの分離工程を改良するものである。すなわ
ち、先の発明においては、ａ．炭化水素改質反応により
生成した改質混合ガスを炭酸ガス吸収液中に通し、ｂ．
この吸収液を加熱して炭酸ガスを放出させ、ｃ．放出さ
れた炭酸ガスを冷却および圧縮して液相または固体とし
て取り出すもので、これらの工程を別々の装置によって
行っていたものである。これに対し、本発明において
は、改質混合ガスを加圧下に、水素の液化温度より高い
炭酸ガスの液化温度で冷却し、炭酸ガスの分離と液化の
工程を一体化したものである。したがって、これによ
り、装置は簡略化される共に長時間の使用に耐えること
ができるとともに、炭酸ガスの投棄も環境に悪影響を及
ぼすことがないばかりでなく、そのために格別のエネル
ギーを要することがない。

【００２３】ここで、本発明を従来の燃焼装置と比較す
る。従来の燃焼装置において、燃焼排ガス中の炭酸ガス
濃度を低減させるための設備が設置されているものは、
ほとんど存在せず、ただ、この炭酸ガスの濃度を減少さ
せるために、燃焼排ガス中から炭酸ガスを分離し、これ
を液化し、又は、固化して海水中に投棄することが提案
されているだけである。しかしながら、メタンを燃焼さ
せる場合にも、一般に（ＣＨ₂）ｎの分子式を持った化
石燃料を使用する燃焼装置の場合にも、これらの燃料を
空気中の酸素により完全に燃焼させた場合には、ｎ分子
の炭酸ガスが発生することとなり、燃焼排ガス中の炭酸
ガスの体積濃度は、化石燃料燃焼ガスの場合の１３．２
％から、メタンの場合の９．６％と７２％には減少する
が、メタンだけを燃焼用に使用するためには、天然ガス
からメタンを得る必要があるが、このためには、一酸化
炭素を除去する必要があり、この過程において炭酸ガス
を発生することが多いが、しかしながら、一酸化炭素の
濃度は、天然ガス中では余り多くない。一方、従来の燃
焼装置の燃焼排ガスから炭酸ガスを分離し、これを適当
な方法により深海中に投棄することが提案されている
が、上記したような具体的な手段は、まだ、提案されて
いない。

【００２４】本発明は、原理的には、これらの方法と一
部において重なる部分があるとは考えられるが、従来提
案されている手段とは、本質的に相違しているものであ
る。すなわち、従来提案されている手段は、大流量の燃
焼排ガスから炭酸ガスを除去し、深海中に投棄するもの
であり、この従来の手段は、技術的にも、経済的にも、
困難性を有しているものであり、しかも、従来、その具
体的な手段は提案されていないに対し、本発明において
は、燃料を燃焼させる前に、燃料ガス中から炭酸ガスを
取り除くことを特徴とするものであるだけでは無く、一
般の化石燃料も、これを高温水蒸気と炭化水素改質反応
を起こさせることにより、多量の水素と、わずかな炭酸
ガスとの改質混合ガスとするものであるが、本発明のよ
うに、燃焼前の燃料ガス中から炭酸ガスを取り除く場合
には、燃焼ガスに対して重量で１／６〜１／１０程度の
燃料ガスを取り扱えば良いだけであり、しかも、この燃
料ガス中の炭酸ガスの濃度が、燃焼ガス中の濃度の数分
の１である炭酸ガスを、容易に除去することが可能であ
る状態において除去することを特徴としているので、技
術的にも非常に優れた条件の下において且つ燃焼装置か
らの炭酸ガスの排出量もほとんど無く、しかも、水素を
主成分とする燃料を燃焼させるものである。

【００２５】従って、燃焼排ガス中の窒素酸化物の濃度
も低い状態において運転をすることが可能であると共に
炭化水素燃料中の炭素は、これを液化炭酸に変えた後、
管により深海中に投棄することを特徴としているので、
従来の炭化水素改質装置の機構ないしは構成をそのまま
使用するのでは無く、液化炭酸を生成するのに適するよ
うに新しい機構ないしは構成に組み替え、炭化水素改質
反応により得られた水素と、炭酸ガスとを、炭酸ガスを
液化することにより水素から分離し、同時に、分離過程
において得られる液化炭酸を輸送に必要なだけ圧力を上
げた後、これを深海に送り、深海中に投棄することを提
案しているのものである。

【００２６】これにより、装置の簡易化を図ることが出
来ると同時に容易な且つ信頼性のある運転を行うことが
可能であると共にメタン以外の化石燃料をガス化して得
られるガス燃料を利用する時は、炭化水素改質反応に
は、化学当量論比以上の水蒸気を添加する必要があるこ
とが多く、この状態も実現することが出来るようになっ
ており、しかも、燃焼排ガス中に炭酸ガス量がほとんど
無いようにするための装置の製造と、その運転との経費
による電力単価の増加を、最小限に押さえることが可能
である。

【００２７】このように、本発明方法ないしは装置は、
上記のような構成及び作用を有しているものであるが、
次ぎに、この装置をボイラに設置した場合についての数
値例を説明する。数値例本発明においては、一般に、ＣｍＨｎにより表される炭
化水素を燃料として使用する場合に、燃焼前に高温過熱
水蒸気を使用して炭化水素改質反応を行わせるものであ
るが、水蒸気が必要で且つ十分な量を混合していれば、
その反応はＣｍＨｎ＋２ｍＨ₂Ｏ→ｍＣＯ₂＋（２ｍ＋ｎ／２）Ｈ₂ となり、この反応により生成される炭酸ガスを除いてか
ら、Ｈ₂をボイラの燃料として使用するものである。

【００２８】以下の数値例においては、ＣｍＨｎの炭化
水素の代表例としてＣＨ₄（メタン）を採り、図１に示
したような火力発電所のボイラの燃焼装置において、燃
焼装置の性能を示す上において最も重要な温度であるボ
イラ給水、過熱水蒸気、メタン、空気及び燃焼排ガスな
どの温度を、このボイラ内の主要点について示すものと
して、このボイラを示す図２中の主要な点において、燃
焼ガスの温度については、点Ａ，Ｂにおいて、炭化水素
改質反応ガスについては、点ａ〜ｈにおいて、燃焼用空
気については、点Ｃ，Ｄにおいて、また、ボイラ給水Ｗ
ｏとタービンへの過熱水蒸気Ｓの状態については、点Ｗ
及びＳにおいて、それぞれ、示すものとする。

【００２９】また、以下の数値例は、メタン１ｋｍｏｌ
について示すものであるが、メタンの炭化水素改質反応
はＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂ により現される。なお、メタン１ｋｍｏｌを空気により
燃焼させる時における標準低燃焼発熱量は、８９０．８
ＭＪである。ところで、本発明において使用する燃料
である炭化水素改質反応により生成される４Ｈ₂の燃焼
熱量の内の一部は、炭化水素改質反応において、メタン
Ｍの１ｋｍｏｌについて１６５．４ＭＪを吸熱反応
に用いられるので、炭化水素改質反応により生成された
４ｋｍｏｌの水素の内、例えば、０．８９ｋｍｏｌ
は、このメタンＭの炭化水素改質反応に使用され、従っ
て、ボイラの主燃焼器１４において実質的に利用可能で
ある水素の燃焼熱量は３．１ｋｍｏｌである。この
ようにして、ボイラの主燃焼器１４においては、１．５
の空気比で３．１ｋｍｏｌの水素Ｎを燃焼させ、また、
この燃焼用空気Ｏを空気予熱器１７によりｔｃ＝２４０
℃まで予熱するので、点Ａにおける温度ｔ_A＝約１，
５００℃となる。この燃焼ガスは、燃焼室１１における
周囲の壁に設けた水冷壁管１０の中の水を加熱し、更
に、タービン駆動用過熱水蒸気Ｓを造成する水蒸気過熱
器１５及び節炭器１６において冷却され、次いで、空気
予熱器１７において燃焼用空気Ｏを予熱し、ｔ_B＝約１
４０℃となって煙突１３から排出される。

【００３０】一方、炭化水素改質部ＩＩにおいては、上
記のように、１ｋｍｏｌのメタンＭの炭化水素改質反応
のために、０．８９ｋｍｏｌの水素を用いることが出来
るが、炭化水素改質反応においては、この他、炭化水素
改質反応に用いる約２０気圧の水を、飽和水蒸気とし、
更に、これを炭化水素改質反応に必要な過熱水蒸気とす
るために、０．８９ｋｍｏｌの水素の燃焼熱量を、炭化
水素改質用水予熱器２３及び炭化水素改質用水蒸気過熱
器２４に供給する必要がある。このために、炭化水素改
質部ＩＩにおいては、全体で１．４５ｋｍｏｌのメタン
Ｍを改質させ、これにより生成される水素の内の０．８
９ｋｍｏｌを、炭化水素改質部燃焼器用空気予熱器２６
によりｔａ＝３００℃ の温度に予熱された空気比約
１．２の予熱空気と共に炭化水素改質部用燃焼器２０に
送り、これによりｔｈ＝約１，８００℃の高温燃焼ガス
が得られる。

【００３１】他方、２０気圧の圧力で大気温度の工業用
水Ｗ_Rを、ｔｃ＝約８００℃で炭化水素改質反応部２１
を出た改質混合ガスＭｏにより炭化水素改質用水予熱器
２３において加熱し、１ｋｍｏｌ当たり３３３ＭＪを持
つ湿り蒸気を作り、この湿り蒸気を、更に、炭化水素改
質用水蒸気過熱器２４において改質混合ガスＭｏにより
過熱し、ｔｆ＝約４２０℃の過熱水蒸気とし、この過熱
水蒸気を、大気圧及び大気温度のメタンＭをメタン圧縮
機２５により２０気圧まで圧縮することにより、ｔｒ＝
約４００℃となった高圧メタンＭと混合して混合ガスを
作り、この混合ガスを炭化水素改質用混合ガス予熱器２
２において、炭化水素改質反応部２１を出た炭化水素改
質部燃焼器２０の燃焼ガスによりｔｇ＝約７２０℃まで
予熱し、これを炭化水素改質改質反応部２１の管内に送
り、混合ガスを、管内に充填してある触媒により水素と
炭酸ガスとから成るｔｃ＝約８００℃の改質混合ガスＭ
ｏとする。

【００３２】一方、燃焼ガスＢは、ｔｂ＝約８４０℃で
炭化水素改質用混合ガス予熱器２２に送られ、ここで放
熱してｔｄ＝５９０℃となり、更に、炭化水素改質部燃
焼器用空気予熱器２６に送られ、ここで、炭化水素改質
部燃焼器用空気をｔａ＝３００℃まで予熱した後、ボイ
ラの排ガスと混合などを行い、大気に排出される。

【００３３】また、炭化水素改質反応部２１において炭
化水素改質反応により生成された炭酸ガスと水素とから
成る改質混合ガスＭｏは、炭化水素改質用水蒸気過熱器
２４、炭化水素改質用水予熱器２３において放熱し、更
に、炭酸ガスと水素とを分離するために炭酸ガス液化分
離器３１に送られる。この場合、炭化水素改質反応にお
いて、炭化水素反応中に炭素が分離し、触媒の表面に付
着し、触媒の性能が落ちることを防ぐために、水蒸気を
量論比以上に添加するので、この余分の水分を回収し、
再利用するために、水分離器３０において、炭酸ガス液
化分離器３１から出る低温の水素により、改質混合ガス
Ｍｏ中の余分の水分Ｗ_R”を凝縮・分離し、再循環に利
用する。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、燃料ガスを、燃焼させ
る前に、予熱して高温水蒸気と触媒上において反応さ
せ、この炭化水素改質反応により水素と炭酸ガスから成
る改質混合ガスに改質し、この改質混合ガスを加圧下に
水素の液化温度より高い炭酸ガスの液化温度まで冷却し
て、この改質混合ガス中の炭酸ガスを液化するとともに
分離し、分離した液化炭酸をそのまま深海に導いて投棄
するとともに、この炭酸ガスが分離された水素を主成分
とする改質混合ガスを燃焼するものであるから、排出燃
焼ガス中に炭酸ガス量をほとんど無くすことができるば
かりでなく、使用する装置を簡単な構造にすることがで
きるとともに長寿命化することができる。また、炭酸ガ
スの投棄に格別のエネルギーを必要としないばかりでな
く、環境へ悪影響を及ぼすこともない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃焼装置の１実施例を装備した典
型的な蒸気発生設備の全体の配置を示す略図である。

【図２】その各部における蒸気ないしは各種ガスの温度
の測定箇所を示す図である。

【図３】従来の燃焼装置を装備した典型的な蒸気発生設
備の全体の配置を示す略図である。

【符号の説明】

１０水冷壁管１１燃焼室１２煙道１３煙突１４主燃焼器１５水蒸気過熱器１６節炭器１７空気予熱器２０炭化水素改質部燃焼器２１炭化水素改質反応部２２炭化水素改質用混合ガス予熱器２３炭化水素改質用水予熱器２４炭化水素改質用水蒸気過熱器２５炭化水素（メタン）圧縮機２６炭化水素改質部燃焼器用空気予熱器３０水分離器３１炭酸ガス液化分離器３２液化冷凍機３３液化炭酸ポンブ３４水循環ポンブ３５低温圧縮機Ｉ水蒸気発生部ＩＩ炭化水素改質部ＩＩＩ炭酸ガス液化分離部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素、又は、炭化水素と一酸化炭素
の混合燃料ガス、あるいは、石炭などの化石燃料のガス
化により得られる燃焼用ガスなどの燃料ガスの燃焼方法
において、燃料ガスを、燃焼させる前に、予熱して高温
水蒸気と触媒上において反応させ、この炭化水素改質反
応により水素と炭酸ガスから成る改質混合ガスに改質
し、この改質混合ガスを加圧下に水素の液化温度より高
い炭酸ガスの液化温度まで冷却して、この改質混合ガス
中の炭酸ガスを液化するとともに分離し、分離した液化
炭酸をそのまま深海に導いて投棄するとともに、この炭
酸ガスが分離された水素を主成分とする改質混合ガス
を、各種の加熱装置が必要とする熱量を発生させるため
に燃焼させることを特徴とする燃焼方法。
【請求項２】上記炭化水素改質反応において、高温水
蒸気を炭化水素改質反応に必要な量論比以上に添加する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼方法。
【請求項３】各種加熱装置の主燃焼装置に併設され
た、予熱した燃料ガスを、水蒸気と触媒上にて反応させ
て水素と炭酸ガスとから成る改質混合ガスに変える炭化
水素改質部と、炭酸ガスを液化、分離する炭酸ガス液化
分離部とを有する燃焼装置において、前記炭化水素改質
部が、燃料ガス圧縮機と、炭化水素改質用水予熱器およ
び炭化水素改質用水蒸気過熱器と、圧縮された燃料ガス
と過熱水蒸気とを混合して予熱する炭化水素改質用混合
ガス予熱器と、炭化水素改質用触媒を備えた炭化水素改
質反応部と、この炭化水素改質反応部を加熱するための
炭化水素改質部燃焼器とから成り、そして、前記炭酸ガ
ス液化分離部が、改質混合ガスから水分を分離する水分
離器と、水分が分離された改質混合ガスを圧縮するため
の低温圧縮機と、圧縮された改質混合ガスを冷却しその
中の炭酸ガスを液化する液化冷凍機を備えるとともに液
化した炭酸ガスと分離した水素を主成分とする改質混合
ガスを前記主燃焼装置へ供給するための管路を備えた炭
酸ガス液化分離器と、この炭酸ガス液化分離器から液化
炭酸を排出するための液化炭酸ポンプと、この液化炭酸
ポンプに接続された深海に達する管とから成っているこ
とを特徴とする燃焼装置。
【請求項４】上記炭化水素改質部燃焼器に供給される
空気を予熱するための空気予熱器を、その燃焼ガスの排
出通路に設けたことを特徴とする請求項３に記載の燃焼
装置。