JP3944657B2 - 炭酸ガスの発生を抑制する発電設備 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭酸ガスの発生を抑制する発電設備に係わり、更に詳しくは、発電と同時にユーティリィティ蒸気と一酸化炭素を製造する発電設備に関する。
【0002】
【従来の技術】
天然ガス等の炭化水素を燃料とし、リフォーマ,ガスタービン,排熱ボイラ及び蒸気タービンを組み合わせた複合サイクル発電プラント(combined cycle power plant)が既に実用化されている。この発電プラントは、発電効率が高い特徴を有している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の複合サイクル発電プラントは、発電効率自体は高いが、炭化水素燃料中の炭素(カーボン)が全て炭酸ガス(CO2 )として大気中に排出されるため、地球温暖化の要因となる問題点がある。そのため、地球環境保護の見地から建設が困難になりつつある。
【0004】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、炭化水素を燃料として高効率で発電ができ、併せて燃料中の炭素(カーボン)の炭酸ガス(CO2 )としての排出を抑制することができ、かつ発電と同時にユーティリィティ蒸気の製造と一酸化炭素の固定を効率良く行うことができる発電設備を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、炭化水素を水蒸気改質して水素及び一酸化炭素を含むガスに改質するリフォーマと、改質ガス中の一酸化炭素を固定するガス固定設備と、ガス固定設備の余剰ガスを燃料とするガスタービン発電装置と、リフォーマの排熱から水蒸気を発生させる廃熱ボイラと、を備え、発生した水蒸気を、リフォーマの水蒸気改質、ガスタービン蒸気噴射及びユーティリィティ蒸気として用い、前記リフォーマから送出された改質ガス中の水素を分離するガス分離装置を備え、前記ガスタービン発電装置は、当該分離された水素を燃料とし、前記ガス分離装置は、リフォーマからの改質ガスを加圧するガスコンプレッサを有するとともに、該加圧改質ガスから水素を分離するようになっており、ガスタービン発電装置の排ガスの一部と、ガス分離装置により分離された水素の一部とを燃焼させ、その燃焼ガスをリフォーマの燃焼ガス室に供給する燃焼器と、前記ガス分離装置により分離された水素を前記燃焼器へ供給する第1ガスラインと、前記リフォーマの燃焼ガス室からの排ガスを廃熱ボイラへ供給する第2ガスラインと、該第2ガスラインから分岐し、前記リフォーマの燃焼ガス室からの排ガスの一部を前記燃焼器へ供給する分岐ガスラインと、前記第1ガスラインに設けられ、前記ガス分離装置により加圧および分離された水素を、前記リフォーマから前記ガス分離装置へ流れる途中の前記改質ガスにより、予熱する熱交換器と、第1ガスラインにおける、前記熱交換器の下流側に設けられ、第1ガスラインを流れる加圧水素を圧力降下させる膨張タービンと、分岐ガスラインに設けられ、前記膨張タービンにより駆動されるブロアと、を備える、ことを特徴とする炭酸ガスの発生を抑制する発電設備が提供される。
【0006】
上記本発明の構成によれば、リフォーマで燃料を改質し、改質ガス中の一酸化炭素をガス固定設備で固定し、その余剰ガスを燃料としてガスタービン装置で発電するので、燃料中の炭素(カーボン)の炭酸ガス(CO2 )としての排出を抑制しながら発電することができ、同時に一酸化炭素を原料とする化学製品を製造することができる。また、廃熱ボイラで排熱から水蒸気を発生させ、この水蒸気をリフォーマの水蒸気改質、ガスタービン蒸気噴射及びユーティリィティ蒸気として用いるので、炭化水素を燃料とする高効率発電ができる。
【0007】
また、改質ガス中の水素をガス分離装置で分離し、この水素を燃料としてガスタービン装置で発電するので、水素の燃焼によりクリーンな水蒸気のみが発生し、燃料中の炭素(カーボン)の炭酸ガス(CO2 )としての排出をなくすことができる。
【0008】
また、好ましくは前記ガス分離装置は、圧力スイング式吸着装置である。この圧力スイング式吸着装置は、水素PSA装置又はCO−PSA装置であるのがよい。この構成により、水素又は一酸化炭素(CO)を効率良く分離することができる。
【0009】
更に、本発明の好ましい実施形態によれば、前記ガス固定設備は、一酸化炭素をメタノールと反応させて酢酸を製造する酢酸製造装置である。この構成により、一酸化炭素を付加価値の高い酢酸に固定化することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。図1は、参考例による炭酸ガスの発生を抑制する発電設備10の全体構成図である。この図において、発電設備10は、水素1を燃料とし炭化水素2を水蒸気改質して水素及び一酸化炭素を含むガス3(改質ガス)に改質するリフォーマ12(改質器)と、改質ガス3中の水素1を分離するガス分離装置14と、分離された水素1を燃料とするガスタービン発電装置16と、ガスタービン発電装置16及びリフォーマ12の排熱から水蒸気4を発生させる廃熱ボイラ18と、を備えている。
【0011】
リフォーマ12は、隔壁により分離された改質室Refと燃焼ガス室Hexとからなる。また、このリフォーマ12に付随して副燃焼器13が設けられ、ガスタービン発電装置16の排ガス5(大量の酸素を含む)により水素1を燃焼させ、リフォーマ12で必要な熱を発生させるようになっている。なおこの図で13aはブロアである。
【0012】
ガスタービン発電装置16は、主燃焼器17,ガスタービンT,コンプレッサC及び発電機Gからなる。また、廃熱ボイラ18で発生した水蒸気4を主燃焼器17に噴射できるようになっている。
【0013】
ガス分離装置14は、圧力スイング式吸着装置であり、好ましくは、水素PSA装置又はCO−PSA装置である。図2は、水素PSA装置の模式的構成図であり、複数の吸着塔14aに例えば活性炭とZMS(ゼオライトモレキュラーシーブス)が充填されており、活性炭によりメタンと炭酸ガスを吸着し、ZMSによって一酸化炭素を吸着して残った水素を得るようになっている。吸着したガス(例えば一酸化炭素)は減圧により取り出すことができる。なお、この図で14bは、バッファタンクである。
【0014】
同様に、CO−PSA装置(図示せず)により、原料ガス中のCOを吸着剤に吸着させて分離し、高濃度の一酸化炭素(CO)を分離することができる。これらのガス分離装置を用いることにより、水素又は一酸化炭素(CO)を効率良く分離することができる。なお、ガス分離装置14は、上述した圧力スイング式吸着装置に限定されず、例えば水素膜分離装置を用いてもよい。
【0015】
図1において、発電設備10は、更に、ガス分離装置14で分離した一酸化炭素6を固定するガス固定設備20を備えている。このガス固定設備20は、この例ではメタノールと反応させて酢酸を製造する酢酸製造装置である。この構成により、一酸化炭素を付加価値の高い酢酸に固定化することができる。なお、ガス固定設備20は、酢酸製造装置に限定されず、一酸化炭素を原料として化学製品を製造する別の周知の設備であってもよい。
【0016】
上述した構成により、リフォーマ12で燃料2を改質し、改質ガス3中の水素1をガス分離装置14で分離し、この水素1を燃料としてガスタービン装置16で発電するので、燃料中の炭素(カーボン)の炭酸ガス(CO2 )としての排出を抑制しながら発電することができ、同時に化学原料となる一酸化炭素6を分離することができる。また、廃熱ボイラ18で排熱から水蒸気4を発生させ、この水蒸気4をリフォーマの水蒸気改質、ガスタービン蒸気噴射及びユーティリィティ蒸気として用いるので、炭化水素を燃料として高効率で発電ができ、かつ発電と同時にユーティリィティ蒸気と一酸化炭素を効率良く製造することができる。
【0017】
上述したように参考例では、天然ガス等の炭化水素2を燃料とし、リフォーマ12、ガス分離装置14(例えば水素PSA装置)、ガスタービン発電装置16及び廃熱ボイラ18等より構成されている。炭化水素2はリフォーマ12で水蒸気改質され、水素,一酸化炭素及び二酸化炭素に転換される。改質されたガス3は冷却された後に水素PSA装置14に入り、水素1と一酸化炭素を主成分とするガス6に分離される。酢酸製造装置20において一酸化炭素はメタノールと反応し酢酸が製造され炭素分が固定化される。一方、水素1はガスタービン発電装置16で燃焼され発電に利用されると同時にリフォーマ12の熱源として活用される。ガスタービン発電装置16及びリフォーマ12の排ガス5は、廃熱ボイラ18の熱源としてリフォーマ用水蒸気,ガスタービン発電装置16の蒸気噴射及びユーティリィティ用水蒸気を発生するために活用される。従って、上記の発電設備は高効率発電と同時に一酸化炭素(又はこれを原料とする化学製品、例えば酢酸)及びユーティリィティ蒸気を効率良く製造することができる。
【0018】
上述したように発電設備10は、以下の特徴を有している。
(1) 炭化水素2を水蒸気改質するリフォーマ12を設置している。
(2) リフォーマ12からの改質ガス3を冷却後、水素PSA装置14を設置し、水素1とそれ以外のガス6(一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、未回収水素、等)に分離する。
(3) 水素PSA装置14からの水素1はガスタービン発電装置16を設置し発電用燃料として使用すると同時に、リフォーマ12の加熱源として利用する。
(4) 水素PSA装置14からの一酸化炭素を主成分とするガスは、各種化学製品(ポリカーボネイト、ポリウレタン、エチレングリコール等)の原料として活用する。一例として、一酸化炭素とメタノールを反応させ酢酸を製造し、炭化水素2中の炭素を固定化することにより、以下の反応により、発電設備の排ガス中のCO2 発生量を低減することができる。
【0019】
CO+CH3 OH(メタノール)→CH3 COOH(酢酸)
(5) ガスタービン発電装置16及びリフォーマ12の排ガスは廃熱ボイラ18を設置し、蒸気を発生させ熱回収を行う。
(6) 発生した水蒸気4は改質反応用プロセスガス及びガスタービン発電装置16の蒸気噴射に使用し、残余の水蒸気は他のユーティリィティとして活用する。
(7) (2)の水素PSA装置14の代わりに、CO−PSA装置を設置し、回収されたCOを各種化学製品の原料として使用し、残余ガスをガスタービン発電装置16及びリフォーマ12の熱源として活用することもできる。
(8) (2)(7)の代わりに、水素分離膜を利用し、水素はガスタービン発電装置16及びリフォーマ12を熱源として、COを含む残余ガスは各種化学製品の原料として活用することもできる。
(9) 廃熱ボイラ18を水質によって2台設置し、1台はイオン交換樹脂による水処理後、蒸気発生させプロセス用に利用し、残りの1台は軟質器による水処理後、蒸気を発生させ、ガスタービン発電装置16蒸気噴射及び一般ユーティリィティ用として利用することにより、水質を効率よく管理することができる。
【0020】
【実施例】
以下に参考実施例と本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。図3は、リフォーマ12の改質室Refと燃焼ガス室Hexの両方を大気圧運転する場合のフローチャート図である。燃料である炭化水素2(TG:都市ガス)にはリフォーマの改質触媒の被毒物質となる付臭剤(TBM:Tertiary ButylMercaptane (CH3)3CSH, DMS:Dimethl Sulfide (CH3)2S)が含まれており、これを除去する必要がある。
【0021】
この発電設備では常温脱硫方式を採用し、発電設備のシンプル化を図っている。脱硫器11には、脱硫剤として二酸化マンガンが充填され、都市ガス2を通すことにより付臭剤は脱硫剤に吸着される。2基の脱硫器11が設置されているのは、1基の脱硫性能が低下した際、他の脱硫器11に切り換えることにより、連続運転に支障をきたさないよう配慮している。
【0022】
なお、脱硫方式としては通常の水添脱硫方式を採用してもよい。すなわち、改質ガスの一部を都市ガスに混合加熱後、コバルト−モリブデン(Co−Mo)、あるいはニッケル−モリブデン(Ni−Mo)の充填層を通すことにより、付臭剤(TBM,DMS)を硫化水素に転換する。硫化水素を含む都市ガスは酸化亜鉛の充填層を通すことにより、硫化水素は酸化亜鉛に吸着される。ただし、発電設備が若干複雑になる。
【0023】
改質に使用されるプロセス水蒸気4は、精製器21で上水中のSO4 --,Cl- など、
改質触媒に被毒する物質を除去後、廃熱ボイラ18bで製造される。この廃熱ボイラ18bの熱源はリフォーマ12からの高温改質ガス3である。脱硫された都市ガス2と廃熱ボイラ18bからのプロセス水蒸気4は混合後、熱交換器22で予熱されリフォーマ12で燃焼ガス室Hexから熱を受け改質される。
【0024】
リフォーマ12の改質室Refには改質触媒が充填されている。リフォーマ12で改質されたガス3は熱交換器22及び廃熱ボイラ18bで冷却され、かつドレンセパレータ23で水切りが実施後、水素PSA装置14のガスコンプレッサ24で約10atmに加圧される。ガスコンプレッサ24の動力を低減するため、中間冷却器25が配置されている。
【0025】
水素PSA装置14の作動原理は図2で説明した通りである。水素PSA装置14では水素がはじめに吸着するため、水素1の圧力損失が少なくほぼ10atmに近い圧力である。一方、COを主成分とする副生品6は吸着後、圧力を下げる工程でゼオライト等の吸着剤から放出されるので、圧力はほぼ大気圧に近い値となる。水素PSA装置14からの高圧水素1はガスタービン発電装置16の燃料及びリフォーマ12の加熱燃料として活用される。一方、COを主成分とひる副生品6は各種化学製品の原料として活用される。
【0026】
なお図3の発電設備では、水素PSA装置14の場合を説明したが、ガス分離としてはCO−PSA装置を採用することもできる。この場合、COは各種化学製品の原料として活用され、それ以外の副生品はガスタービン発電装置16及びリフォーマ12の加熱燃料として用いる。CO−PSA装置の作動原理も、実質的には、水素PSA装置14と同様である。また、ガス分離法としては水素膜分離も考えられる。
【0027】
図3において、ガスタービン発電装置16に送られた高圧水素1は主燃焼器17で、コンプレッサCからの圧縮空気及び廃熱ボイラ18aからの蒸気と混合燃焼してタービンTに送られ、発電機Gを駆動することにより電気を発生する。タービンTの排気ガス5はリフォーマ12からの燃焼排ガスの一部と共にリフォーマ12の副燃焼器13に送られ支燃材として活用される。
【0028】
水素PSA装置14からの高圧水素1の一部は減圧された後、リフォーマ12の副燃焼器13で燃焼され、リフォーマ12の加熱源となる。リフォーマ12からの排ガスの一部は廃熱ボイラ18aの加熱源として活用された後、大気放出される。廃熱ボイラ18a,18bを2台設置する理由は、ボイラ水質のグレードが異なるためである。つまり、改質反応用のプロセス蒸気4は改質触媒の被毒を避けるため、上水をイオン交換樹脂に通し、SO4 --,Cl- イオン等を除去する必要がある(18b)。一方、ガスタービン発電装置16用の蒸気噴射及び一般ユーティリィティに使用される蒸気は通常のボイラ水を用いることができる。
【0029】
図4は、以下の条件における熱バランス及び物質バランスの一例である。
(1)リフォーマ12:運転圧力1atm,運転温度750℃、S/C=2.5、(2)PSA装置14:H2 回収率80%、(3)ガスタービン発電装置16:入口圧力10.65atm,入口温度1009℃,蒸気噴射量6.3ton/Hr。解析結果は以下の通り。
(1)リフォーマ12:メタン転換率98.4%,副燃焼器水素流量比37.2%、(2)ガスタービン発電装置16:主燃焼器水素流量比62.8%、(3)リフォーマの排ガスバイパス比38%この熱バランス及び物質バランスから、炭化水素を燃料として高効率で発電ができ、かつ発電と同時にユーティリィティ蒸気と一酸化炭素を効率良く製造することができることがわかる。
【0030】
図5は、リフォーマ12の運転圧力が1atm,S/C=2.5の場合のガスタービン発電装置16の蒸気噴射量(横軸)とガスタービンの発電出力及び都市ガス流量(縦軸)との関係を示す。この図から、発電設備の熱電比(ユーティリィティ蒸気量と発電出力との比)を可変にできることがわかる。なお、蒸気噴射量を増加させるとガスタービン発電出力及び発電設備の都市ガス流量も増大する。
【0031】
図6はリフォーマ12の運転圧力が1atm,S/C=2.5の場合のH2 −PSA装置14の水素回収率がガスタービン発電出力及びリフォーマ12の副燃焼器への水素流量比に与える影響を示す。ただし、発電設備への燃料流量を一定とした場合である。PSA装置14における水素回収率が向上するとガスタービン発電装置16への水素流量が増大するので、ガスタービン発電出力は増大する。改質及び熱負荷は一定であるため、水素流量増大はガスタービン発電装置16が受け持つので、リフォーマ12の副燃焼器への水素燃料比は低下する。
【0032】
図7は、本発明の実施例を示しており、図3とほぼ同じ発電設備であるが、リフォーマ12の副燃焼器13への高圧水素ガス1は減圧してから燃焼している。この水素ガス1の圧力エネルギを動力回収するため、高圧水素を熱交換器26で予熱後、膨張タービン27で大気圧まで圧力降下させた後、リフォーマ12の副燃焼器13で燃焼させる。膨張タービン27の動力はリサイクルブロア27aを駆動させるのに用いる。
【0033】
図8はリフォーマ12の改質室Refを10atmの高圧運転,燃焼ガス室Hexを大気圧運転する場合の発電設備を示す。これは、図3のリフォーマ12の改質室Refが大気圧運転の場合には、PSA装置14の直前の昇圧用コンプレッサ24の動力が過大になるため、都市ガス2を脱硫器11に入る前にコンプレッサ28で圧縮し、リフォーマ12の改質室Refを高圧運転することにより、発電設備の動力を削減するようになっている。
【0034】
図9は、リフォーマ12の改質室Ref及び燃焼ガス室Hexの両方共10atm程度の高圧にして運転する発電設備を示す。ただし、ガスタービン発電装置16の機能を圧縮機、燃焼部及びタービン部に分割する必要がある。
【0035】
図10は、改質したガス3を酢酸製造プラント20に送り出し、酢酸製造プラント20における未反応ガス7をガスタービン発電装置16及びリフォーマ12の熱源とする発電設備である。この図に示すように、ガス固定設備20(この図では酢酸製造プラント)は、ガス分離装置(14,30等)でガス分離することを必ずしも要件とせず、分離せずに混合ガス中の一酸化炭素を選択的に固定するものであってもよい。
【0036】
図11は、PSA装置14の替わりに膜分離装置30を用いた図8と同様の図である。
この図において、32は膜分離部、33はフィルター、34はガス冷却器である。膜分離装置は、欠陥のない高分子膜を隔てて両側にガスが存在した場合に、分圧が高い方から低い方にガスが透過する原理を応用したものであり、特に分子量の小さい水素ガスを例えば99%の純度で分離することができる。従って、かかる膜分離装置30を用いることによっても、水素を効率良く分離することができる。
【0037】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【0038】
【発明の効果】
上述したように、本発明の炭酸ガスの発生を抑制する発電設備は、炭化水素を燃料として高効率で発電ができ、併せて燃料中の炭素(カーボン)の炭酸ガス(CO2 )としての排出を抑制することができ、かつ発電と同時にユーティリィティ蒸気の製造と一酸化炭素の固定を効率良く行うことができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例による発電設備10の全体構成図である。
【図2】 水素PSA装置の模式的構成図である。
【図3】 リフォーマ12の改質室Refと燃焼ガス室Hexとも大気圧運転する場合のフローチャート図である。
【図4】 発電設備の熱バランス及び物質バランスの一例を示す図である。
【図5】 ガスタービン発電装置16の蒸気噴射量(横軸)とガスタービンの発電出力及び都市ガス流量(縦軸)との関係図である。
【図6】 H2 −PSA装置14の水素回収率がガスタービン発電出力及びリフォーマ12の副燃焼器への水素流量比に与える影響を示す図である。
【図7】 リフォーマ12の副燃焼器への高圧水素ガスを減圧してから燃焼する場合の図3と同様の図であるが、本発明の実施例を示している
【図8】 リフォーマの改質室Refを10atmの高圧運転,燃焼ガス室Hexを大気圧運転する場合の発電設備を示す図である。
【図9】 リフォーマの改質室Ref及び燃焼ガス室Hexの両方共10atm程度の高圧にして運転する発電設備を示す図である。
【図10】 改質したガスを酢酸プラントに送出し、未反応ガスをガスタービン発電装置16及びリフォーマ12の熱源とする発電設備を示す図である。
【図11】 PSA装置14の替わりに膜分離装置30を用いた図8と同様の図である。
【符号の説明】
1水素
2炭化水素
3改質ガス
4水蒸気
5排ガス
6一酸化炭素を主成分とするガス
7未反応ガス
10発電設備
11脱硫器
12リフォーマ(改質器)
13副燃焼器
14ガス分離装置(水素PSA装置)
16ガスタービン発電装置
17主燃焼器
18,18a,18b 廃熱ボイラ
20ガス固定設備(酢酸製造装置)
21精製器
22熱交換器
23ドレンセパレータ
24ガスコンプレッサ
25中間冷却器
26熱交換器
27膨張タービン
28コンプレッサ
30膜分離装置
32膜分離部
33フィルター
34ガス冷却器

Claims (4)

  1. 炭化水素を水蒸気改質して水素及び一酸化炭素を含むガスに改質するリフォーマと、改質ガス中の一酸化炭素を固定するガス固定設備と、ガス固定設備の余剰ガスを燃料とするガスタービン発電装置と、リフォーマの排熱から水蒸気を発生させる廃熱ボイラと、を備え、発生した水蒸気を、リフォーマの水蒸気改質、ガスタービン蒸気噴射及びユーティリィティ蒸気として用い
    前記リフォーマから送出された改質ガス中の水素を分離するガス分離装置を備え、前記ガスタービン発電装置は、当該分離された水素を燃料とし、
    前記ガス分離装置は、リフォーマからの改質ガスを加圧するガスコンプレッサを有するとともに、該加圧改質ガスから水素を分離するようになっており、
    ガスタービン発電装置の排ガスの一部と、ガス分離装置により分離された水素の一部とを燃焼させ、その燃焼ガスをリフォーマの燃焼ガス室に供給する燃焼器と、
    前記ガス分離装置により分離された水素を前記燃焼器へ供給する第1ガスラインと、
    前記リフォーマの燃焼ガス室からの排ガスを廃熱ボイラへ供給する第2ガスラインと、
    該第2ガスラインから分岐し、前記リフォーマの燃焼ガス室からの排ガスの一部を前記燃焼器へ供給する分岐ガスラインと、
    前記第1ガスラインに設けられ、前記ガス分離装置により加圧および分離された水素を、前記リフォーマから前記ガス分離装置へ流れる途中の前記改質ガスにより、予熱する熱交換器と、
    第1ガスラインにおける、前記熱交換器の下流側に設けられ、第1ガスラインを流れる加圧水素を圧力降下させる膨張タービンと、
    前記分岐ガスラインに設けられ、前記膨張タービンにより駆動されるブロアと、を備える、ことを特徴とする炭酸ガスの発生を抑制する発電設備。
  2. 前記ガス分離装置は、圧力スイング式吸着装置である、ことを特徴とする請求項に記載の炭酸ガスの発生を抑制する発電設備。
  3. 前記圧力スイング式吸着装置は、水素PSA装置又はCO−PSA装置である、ことを特徴とする請求項に記載の炭酸ガスの発生を抑制する発電設備。
  4. 前記ガス固定設備は、一酸化炭素をメタノールと反応させて酢酸を製造する酢酸製造装置である、ことを特徴とする請求項1に記載の炭酸ガスの発生を抑制する発電設備。
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