JP3220107U - 火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム - Google Patents

火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム Download PDF

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Abstract

【課題】火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システムを提供する。【解決手段】電解水素製造・アンモニア合成システムは、電解水素製造装置１とアンモニア合成装置２を含み、電解水素製造装置１は、電源入力端で火力発電所の電力出力端と電気的に接続され、それにより、火力発電所のピーク負荷バランス電量を用いて、電源のために、電解することで水素と酸素を製造し、電解水素製造装置１は、水素出力端でアンモニア合成装置の水素入口に接続され、アンモニア合成装置２の窒素入口は窒素ソースに接続され、アンモニア合成装置２を利用して、電解水素製造装置１で生成された水素と窒素ソースからの窒素からアンモニアを合成し、火力発電所のアンモニア供給パイプと液体アンモニア貯蔵タンク１２に連通される。アンモニア供給パイプは、火力発電所のボイラ１０７の炉床におけるマルチ燃料バーナ１１０と連通される。【選択図】図１

Description

本考案は、電力エネルギーとアンモニア合成技術分野に関し、具体的には、火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システムに関する。
現段階では、我国の電力システムにおける電気エネルギーの生産能力が豊かであるが、ガスタービン、ポンプ式エネルギー貯蔵などのピーク負荷調整可能な電源は極めて少ないため、電源グリッドでのピーク調整と火力ユニットの柔軟性との矛盾が際立ち、電源グリッドが風力発電、太陽光発電、水力発電や原子力発電を消費する能力に不足している。
従来技術には、火力発電所のピーク負荷調整作業がすでに、送電網の運転にあるより顕著な矛盾になり、現在、我国において、火力の柔軟性ピーク負荷調整は冬の暖房装置を対象としているが、夏のピーク負荷調整は多くの火力発電所の前に置かれた課題となっており、送電網のピーク負荷調整需要、ピーク負荷調整におけるエネルギーの浪費を最小化する、及び発電所が激しい競争の中で生存する必要を満足するために、ピーク負荷調整の深刻な変革は不可欠である。
それに、炭素排出量の削減は今後、火力発電所にますます圧力をかけることになり、風力と光の廃棄、火力の柔軟性ピーク負荷調整と炭素排出量の削減などの問題を解決するために、火力ユニットに新たな技術が緊急解決策として必要である。
電解水水素製造は、高効率で、清潔な水素製造技術として、その水素製造技術はシンプルで、製品の純度も高く、水素や酸素の純度は普通９９．９％にも達することができ、最も有望な大規模の水素製造技術である。特に、現在グリーンエネルギーの生成力が増すにつれて、水素は電気エネルギー貯蔵の理想的媒体となる。電解水水素製造技術をグリーンエネルギーによる発電に応用することによって、グリーンエネルギーで生成された電気エネルギーを水素エネルギーに転化した後貯蔵し、且つ実際の需要を基礎に、その後の化学プロセスにて水素エネルギーをメタン、メタノールや他の液体燃料などへ転化することも可能にする。
アンモニアは、人類にとって重要な化学製品として、社会の発展や産業文明の進歩につれて、アンモニア合成による製品が人類に貢献をもたらしたことは明らかである。アンモニアは、輸送しやすい水素貯蔵燃料として、多くの研究機関やエネルギー会社が考えている。アンモニアは、マイナス２０度で液化することができ、低コストで便利に輸送可能であり、また、アンモニアは、燃料と冷凍作動流体として、燃焼や冷凍業界に応用できる。アンモニアは、現在、発電所における最も多い応用として、ＳＣＲ脱硝システムに対する応用である。
従来技術の不足に対して、本考案は、火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システムを提供し、ピーク負荷調整周波数変調電力を利用し、発電所内に電解水素製造、空気分離窒素・酸素製造を実現し、その後、得られる窒素や水素を利用し、アンモニア合成技術によってアンモニアを合成し、それで発電所を多種類の気体や燃料製品を生産する電気化学工場に転化することを目的とする。
本考案は、上記目的を実現するために、下記技術様態を採用する。
火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システムであり、電解水素製造装置とアンモニア合成装置とを含み、前記電解水素製造装置は、電源入力端で火力発電所の電力出力端と電気的に接続され、それにより、火力発電所のピーク負荷バランス電量を用いて、電源のために、電解することで水素と酸素を製造し、前記電解水素製造装置は、水素出力端でアンモニア合成装置の水素入口に接続され、前記アンモニア合成装置の窒素入口は窒素ソースに接続され、前記アンモニア合成装置を利用して、前記電解水素製造装置にて生成された水素と窒素ソースからの窒素からアンモニアを合成することができ、前記アンモニア合成装置はアンモニア出力端によって、前記火力発電所のアンモニア供給パイプ及び／又は液体窒素貯蔵タンクに連通される。
更に、前記アンモニア供給パイプは、火力発電所の、ボイラの炉床におけるマルチ燃料バーナと連通されることによって、燃料として炉床燃焼に参加し、かつ／又は火力発電所に、ボイラの後部煙道に設けた排ガス浄化・脱硝装置ＳＣＲの作業面内に連通するのに用いられる。
更に、前記窒素ソースは空気分離装置を含み、該空気分離装置は、前記火力発電所のピーク負荷バランス電量を取得して電源とするために、その電源入力端が前記火力発電所の電力出力端に接続され、その窒素出力端がアンモニア合成装置の窒素入口に接続される。
更に、前記電解水素製造装置は、その酸素出力端が酸素貯蔵タンクに連通され、その水素出力端もまた、超低温液化装置又は高圧ガス圧縮装置を介して、水素貯蔵タンクに接続され、それにより、アンモニア合成装置に入力されない水素を、超低温液体水素又は高圧圧縮水素ガスという形態で、水素貯蔵タンクに出力する。
また更に、前記電解水素製造装置の水素出力端又は水素貯蔵タンクが外部水素輸送パイプに連通され、前記外部水素輸送パイプによって、外部に水素を直接に輸送する。
また更に、前記空気分離装置は、その酸素出力端が酸素貯蔵タンクに連通され、且つその窒素出力端もまた、窒素貯蔵タンクに接続され、それにより、アンモニア合成装置に入力されない窒素を窒素貯蔵タンクに出力する。
更に、前記電解水素製造装置は、アルカリ性水溶液電解水素製造装置、固体ポリマ電解水素製造装置又は高温固体酸化物電解水素製造装置を使用する。
更に、前記電解水素製造装置は、その入水口が給水ポンプによって、火力発電所の化学水処理工場に連通され、前記化学水処理工場が純水製造装置で前記給水ポンプに連通される。
本考案はまた、ピーク負荷調整周波数変調電化工場であり、前記火力発電所用電解水素製造・アンモニア合成システムを有し、その製品は電力、熱、水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種を含み、前記水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種は、ガス精製装置によって、対応するガス貯蔵装置にそれぞれ接続されて、水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種の低温液化又は高圧貯蔵を実現する。
更に、前記水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種の生産装置は、ガス精製装置によって、高圧又は低温液化の対応するスチール充填ボトルに接続され、前記スチール充填ボトルによって水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種の気体製品を外部に販売する。
本考案は、火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システムによると、ピーク負荷調整周波数変調電力を十分に利用して、発電所で水素と窒素を製造した後、得られる窒素および水素でアンモニアを合成することで、火力発電所を多種類の気体と燃料製品を生産する電気化学工場に転換させることができ、特に、水素とアンモニアはゼロ炭素排出の燃料として、将来に幅広い応用見通しを有するのは必然である。
本考案に提供される火力発電所の電解水素製造・アンモニア合成システムは、電源トラフの電気エネルギーを取得した後水素エネルギーに転換し、さらに該水素エネルギーと窒素とともにアンモニア合成工程を行なうことで、水素エネルギー効果を輸送・貯蔵しやすいアンモニア燃料の化学エネルギーに転換し、これは電気エネルギーの貯蔵を実現した他、従来の火力発電所を多種類の気体製品を生産可能なエネルギー工場へ変革させることができる。
また、本考案に提供される火力発電所の電解水素製造・アンモニア合成システムは、発電所のピーク負荷バランス電量を直接に消費し、風力・光・水力・原子力の放棄を間接に利用して、グリッドバランスとピーク・谷間荷重の差の問題を緩和し、発電所設備の耐用年数を延長し、電気エネルギーの隠密貯蔵、エネルギーの安定的貯蔵と有効な利用を実現することができる。
本考案の実施様態１を示す構造図である。 本考案の実施様態２を示す構造図である。 本考案の実施様態３を示す構造図である。
以下、図面を参照しながら本考案をより詳細に説明するが、本実施例は本考案の技術案を前提とするものであり、詳細の実施様態と具体的操作工程を説明するが、本考案の保護範囲は本実施例に制限されるものではない。
＜実施例１＞
図１に示すように、火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システムであり、電解水素製造装置１とアンモニア合成装置２を含み、前記電解水素製造装置１は、電源入力端で火力発電所の電力出力端と電気的に接続され、前記電解水素製造装置１は、水素出力端でアンモニア合成装置２の水素入口に接続され、前記アンモニア合成装置２の窒素入口は窒素ソースに接続され、前記アンモニア合成装置２はアンモニア出力端によって、前記火力発電所のアンモニア供給パイプと液体アンモニア貯蔵タンク１２に連通される。前記アンモニア供給パイプは、アンモニア供給パイプと液体アンモニア供給パイプを含んでもよい。
上記火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システムの稼動原理は、普通、送電網派遣センタが区域内の実時間発電とピーク負荷調整要件に基づいて、火力発電所の集中管理センタにピーク負荷調整指令を送信し、前記火力発電所の集中管理センタは該ピーク負荷調整指令によって、火力発電所のピーク負荷バランス電量を制御する。上記火力発電所の電解水素製造・アンモニア合成システムにおいて、火力発電所のピーク負荷バランス電量は電解水素製造装置に電源を提供し、前記電解水素製造装置に製造された水素をアンモニア合成システムに輸送する。アンモニア合成システムは、前記電解水素製造装置から水素を取得し、窒素ソースから窒素を得た後、高温・高圧にてアンモニアを合成して、火力発電所のアンモニア供給パイプによって、火力発電所のアンモニアを必要とする各々のシステムに提供する。余分なアンモニアは液体アンモニア貯蔵タンク１２に貯蔵することができ、低温液化されてタンクに充填された液体アンモニアは販売可能である。
上記火力発電所の電解水素製造・アンモニア合成システムにおいて、火力発電所のピーク負荷バランス電量によって得た水素を利用してアンモニアを更に合成し、それにより、火力発電所のアンモニアを必要とする各々のシステムに提供し、エネルギーの循環利用と転化を実現した。
一般的に、前記火力発電所の発電装置は火力発電ユニットであって、発電機１０１、蒸気タービン１０２、コンデンサ１０３、低圧ヒータ１０４、脱気器１０５、高圧ヒータ１０６とボイラ１０７を含み、前記電解水素製造装置１の電源入力端は発電機１０１の電源出力端に接続され、前記発電機１０１はピーク負荷バランス電量を用いて、電解水素製造装置１に電源を提供する。
更に、前記アンモニア供給パイプは、火力発電所の、ボイラ１０７の炉床におけるマルチ燃料バーナ１１０と連通されることによって、燃料として炉床燃焼にアンモニアを参加させ、かつ／又は、火力発電所に、ボイラの後部煙道に設けた排ガス浄化・脱硝装置ＳＣＲの作業面１０８内に連通するために用いられる。
アンモニアがボイラの炉床におけるマルチ燃料バーナ内に入って、燃料として炉床に燃焼し、その一部が石炭を代替する（ので？）、ボイラの石炭使用量とＣＯ２排出量を低下させることができる。液体アンモニアが、排ガス浄化・脱硝装置ＳＣＲの作業面に入ることは、ＳＣＲ作業面のアンモニアスプレープロセスを実現できる。本実施例において、前記アンモニア供給パイプは先ずアンモニアスプレー装置１０９に連通され、該アンモニアスプレー装置からＳＣＲ作業面に噴射する。
前記窒素ソースからの窒素は外部から購入してもよい。本実施例において、前記窒素ソースは空気分離装置３を含み、該空気分離装置３は電源入力端が前記火力発電所の電力出力端（本実施例では発電機１０１）に接続され、その窒素出力端がアンモニア合成装置２の窒素入口に接続される。
空気分離装置３で窒素を製造し、火力発電所のピーク負荷バランス電量を電気エネルギーとして、外部から窒素を購入するための成分費用を節約することができ、火力発電所のピーク負荷バランス電量をより十分に利用し、エネルギーの利用率を更に向上させた。実際の応用において、低温空気分離窒素製造装置、変圧吸着空気分離装置又は膜分離空気分離装置を採用してもよい。
さらに、前記電解水素製造装置１の酸素出力端は酸素貯蔵タンク４に連通される。さらに、前記空気分離装置３の酸素出力端も前記酸素貯蔵タンク４に連通される。水素と窒素の製造プロセスで生成した酸素は酸素貯蔵タンクに貯蔵し、タンクに充填した後に販売したり、ボイラの燃焼に酸素を提供したりすることもできる。
前記電解水素製造装置１は水素出力端がまた、超低温液化装置や高圧ガス圧縮装置を介して、水素貯蔵タンク５に接続され、それにより、アンモニア合成装置に入力されない水素を、超低温液体水素や高圧圧縮水素ガスという形態で、水素貯蔵タンク５に出力する。水素製造プロセスに、アンモニアの合成に利用されない水素を水素貯蔵タンク５に貯蔵して、ボイラの燃焼に燃料を提供しても、販売しても、更にこの後のアンモニアの合成に、継続的水素を提供してもよい。
また、前記電解水素製造装置１は、その水素出力端や水素貯蔵タンクが外部水素輸送パイプに連通され、前記外部水素輸送パイプで外部に水素を直接に輸送する。
前記電解水素製造装置１と空気分離装置３は、それぞれフローバルブでアンモニア合成装置２に水素と窒素を入力する。フローバルブを介して、事前に設定した水素と窒素比例に基づき、アンモニア合成装置に水素と窒素を入力することを実現し、アンモニアの合成効果の保証ができ、水素と窒素の浪費もなくなった。
更に、前記空気分離装置３は、その窒素出力端が窒素貯蔵タンク６に連通され、アンモニア合成装置に入力されない窒素を窒素貯蔵タンク６に出力する。類似的に、窒素製造プロセスに、アンモニアの合成に直接的利用されない窒素を窒素貯蔵タンク６に貯蔵して、タンクに充填した後販売してもよいし、この後のアンモニアの合成に、継続的に窒素を提供してもよい。
更に、前記電解水素製造装置１は、アルカリ性水溶液電解水素製造装置、固体ポリマ電解水素製造装置や高温固体酸化物電解水素製造装置を使用する。
更に、前記電解水素製造装置１は、その入水口が給水ポンプ７によって、火力発電所の化学水処理工場８に連通され、前記化学水処理工場８が純水製造装置９で前記給水ポンプ７に連通される。
更に、前記火力発電所の発電出力端（本実施例では具体的に、発電機１０１の出力端である）は具体的に、インバータ１０によって、前記電解水素製造装置１の電源入力端に電気的に接続され、またもう一つのインバータ１１によって、空気分離装置３の電源入力端に電気的に接続される。
前記アンモニア合成装置２は、アンモニアのフローバルブによって、アンモニア供給パイプに連通される。
＜実施例２＞
図２に示すように、本実施例において、送電網派遣センタが区域内の実時間発電とピーク負荷調整要件に基づいて、火力発電所の集中管理センタにピーク負荷調整指令を送信し、前記火力発電所の集中管理センタは該ピーク負荷調整指令によって、火力発電所のピーク負荷バランス電量を制御する。火力発電所の発電装置は火力発電所のピーク負荷バランス電量を利用して、電解水素製造装置１に電源を提供し、前記電解水素製造装置に製造された水素をアンモニア合成システム２に輸送する。
窒素は空気分離装置３で製造され、前記空気分離装置３は電源入力端が前記火力発電所の電力出力端（本実施例では発電機１０１の出力端）に接続され、その窒素出力端がアンモニア合成装置２の窒素入口に接続される。発電装置はバランス電量で空気分離装置３に電源を提供する。
アンモニア合成システムは、前記電解水素製造装置から水素を取得し、窒素ソースから窒素を得た後、高温・高圧にてアンモニアを合成して、火力発電所のアンモニア供給パイプによって、火力発電所のアンモニアを必要とする各々のシステムに提供する。
液体アンモニアがボイラ−１０７の炉床に燃料として入って燃焼し、その一部が石炭を代替するので、ボイラ−の石炭使用量とＣＯ２排出量を低下させることができる。また、液体アンモニアをアンモニアスプレー装置１０９に入力し、排ガス浄化・脱硝装置ＳＣＲの作業面１０８に噴射するので、ＳＣＲ作業面のアンモニアスプレープロセスを実現できる。
本実施例では、電解水素製造装置１にある余分の水素と製造し得る酸素は全部、ボイラ１０７の炉床のマルチ燃料バーナ１１０中で、燃焼を促進・安定化する効果を発揮し、酸素はボイラの酸素リッチ燃焼を実現する。
火力発電所の化学水処理工場８は、処理済の化学水を純水製造装置９に入力し、純水製造装置９で純水を製造し得た後、給水ポンプは純水を電解水素製造装置へ抽出して原料水とする。
本実施例では、発電所で製造した各種類の気体製品は全部、発電所システム本体に用いられ、外部に販売されるものはない。
＜実施例３＞
図３に示すように、本実施例の構成と実施例１とは基本的に同様であり、主な区別として、本実施例では、空気分離装置を設置することなく、窒素は全て外部から直接に購入し、酸素は電解水素製造装置で生成することにある。システムにおける他の構成や機能、及び最終製品は実施例１と基本的に同様である。
当業者にとっては、上記技術様態や要旨を基礎に、各種類の変更・置換は可能であり、これらは全部、本考案の権利請求の範囲に属するべきである。
１ 電解水素製造装置
２ アンモニア合成装置
３ 空気分離装置
４ 酸素貯蔵タンク
５ 水素貯蔵タンク
６ 窒素貯蔵タンク
８ 化学水処理工場
９ 純水製造装置
１０８ 排ガス浄化・脱硝装置ＳＣＲの作業面
１１０ マルチ燃料バーナ

Claims (10)

  1. 火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システムであり、電解水素製造装置とアンモニア合成装置とを含み、該電解水素製造装置は、電源入力端で火力発電所の電力出力端と電気的に接続され、それにより、火力発電所のピーク負荷バランス電量を用いて、電源のために、電解することで水素と酸素を製造し、前記電解水素製造装置は、水素出力端でアンモニア合成装置の水素入口に接続され、前記アンモニア合成装置の窒素入口は窒素ソースに接続され、前記アンモニア合成装置を利用して、前記電解水素製造装置にて生成された水素と窒素ソースからの窒素からアンモニアを合成することができ、前記アンモニア合成装置はアンモニア出力端によって、前記火力発電所のアンモニア供給パイプ及び／又は液体窒素貯蔵タンクに連通される、ことを特徴とする火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム。
  2. 前記アンモニア供給パイプは、火力発電所の、ボイラの炉床におけるマルチ燃料バーナと連通されることによって、燃料として炉床燃焼に参加し、かつ／又は火力発電所に、ボイラの後部煙道に設けた排ガス浄化・脱硝装置ＳＣＲの作業面内に連通するのに用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載の火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム。
  3. 前記窒素ソースは空気分離装置を含み、該空気分離装置は、前記火力発電所のピーク負荷バランス電量を取得して電源とするために、その電源入力端が前記火力発電所の電力出力端に接続され、その窒素出力端がアンモニア合成装置の窒素入口に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム。
  4. 前記電解水素製造装置は、その酸素出力端が酸素貯蔵タンクに連通され、その水素出力端もまた、超低温液化装置又は高圧ガス圧縮装置を介して、水素貯蔵タンクに接続され、それにより、アンモニア合成装置に入力されない水素を、超低温液体水素又は高圧圧縮水素ガスという形態で、水素貯蔵タンクに出力する、ことを特徴とする請求項１に記載の火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム。
  5. 前記電解水素製造装置の水素出力端又は水素貯蔵タンクが外部水素輸送パイプに連通され、前記外部水素輸送パイプによって、外部に水素を直接に輸送する、ことを特徴とする請求項４に記載の火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム。
  6. 前記空気分離装置は、その酸素出力端が酸素貯蔵タンクに連通され、且つその窒素出力端もまた、窒素貯蔵タンクに接続され、それにより、アンモニア合成装置に入力されない窒素を窒素貯蔵タンクに出力する、ことを特徴とする請求項３に記載の火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム。
  7. 前記電解水素製造装置は、アルカリ性水溶液電解水素製造装置、固体ポリマ電解水素製造装置又は高温固体酸化物電解水素製造装置を使用する、ことを特徴とする請求項１に記載の火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム。
  8. 前記電解水素製造装置は、その入水口が給水ポンプによって、火力発電所の化学水処理工場に連通され、前記化学水処理工場が純水製造装置で前記給水ポンプに連通されることを特徴とする請求項１に記載の火力発電所における電解水素製造・アンモニア合成システム。
  9. ピーク負荷調整周波数変調電化工場であり、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の火力発電所用電解水素製造・アンモニア合成システムを有し、その製品は電力、熱、水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種を含み、前記水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種は、ガス精製装置によって、対応するガス貯蔵装置にそれぞれ接続されて、水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種の低温液化又は高圧貯蔵を実現することを特徴とするピーク負荷調整周波数変調電化工場。
  10. 前記水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種の生産装置は、ガス精製装置によって、高圧又は低温液化の対応するスチール充填ボトルに接続され、前記スチール充填ボトルによって水素、窒素、酸素およびアンモニアの少なくとも一種の気体製品を外部に販売する、ことを特徴とする請求項９に記載のピーク負荷調整周波数変調電化工場。
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