JP4575135B2 - ゼットガスタービンの発電方法及び発電システム - Google Patents

Description

この発明は、ゼットガスを過熱蒸気中で燃焼させて、高圧高温蒸気を生成し、これを蒸気タービンに供給して発電機を回転させ発電することを目的としたゼットガスタービンの発電方法及び発電システムに関する。

従来知られている蒸気タービンによる発電は、石炭、重油、天然ガスなどを燃料として燃焼させ、水を加熱して、蒸気を生成し、この蒸気を高圧高温過熱蒸気として蒸気タービンを高速回転させて、これにより発電機を回転させて発電している。
特公平１−４８３６３

従来使用されている高圧高温蒸気タービンは、何れも石炭、重油、天然ガスなどの燃料を使用し、その燃焼により生じた熱によって水を加熱蒸発させて得た蒸気を使用しているので、燃料の燃焼に伴う大気汚染は不可避とされる問題点があった。

また蒸気タービンを使用する発電については、その効率向上に幾多の発明が提案されており、著しい向上を示しているけれども、効率の向上による公害低下は発電量との比較におけるものであって、公害の実質的減少には至らない問題点があった。

然るにこの発明は、前記従来問題とされていた、燃料の燃焼による排気の公害皆無のゼットガスを使用して、高圧高温蒸気を生成することにより、前記従来の火力発電による公害を激減させることに成功し、前記従来の問題点を解決したのである。従って従来使用されている蒸気タービン及び発電機の技術はそのまま採用される。

即ち方法の発明は、水を電気分解して得たゼットガスを、高圧噴霧の噴射される高圧高温蒸気生成炉に吹き込んで燃焼させることにより、高圧高速過熱蒸気を生成し、この高圧高速過熱蒸気を蒸気タービンに噴射して蒸気タービンを高速回転させ、この回転により発電機を回転させて発電することを特徴としたゼットガスタービン発電方法であり、水を電気分解して得たゼットガスを、高圧噴霧の噴射される高圧高温蒸気生成炉に吹き込んで燃焼させることにより、高圧高速過熱蒸気を生成し、この高圧高速過熱蒸気を蒸気タービンに噴射して蒸気タービンを高速回転させ、この回転により発電機を回転させて発電し、前記蒸気タービンの排蒸気を熱交換して、その復水を太陽熱温水槽に給送し、熱交換時に生じた温水を太陽熱温水器の給水とすることを特徴としたゼットガスタービン発電方法であり、太陽熱温水槽は、太陽熱温水器により加温した水を貯留するものである。

また他の方法は、水を電気分解して得たゼットガスを、飽和蒸気発生炉に吹き込んで得た飽和蒸気を、アキュームレーターに貯留し、これを取り出してスーパーヒーターで加熱して高温過熱蒸気とし、この高温過熱蒸気を高圧高温蒸気生成炉に吹き込むと共に、ゼットガスバーナーを用いてゼットガスを燃焼させることにより高圧高温蒸気生成炉を加熱して、高圧高温の高速蒸気流を生成し、この高速蒸気流を蒸気タービンに噴射して、蒸気タービンを高速回転させ、これにより発電機を回転させて発電することを特徴としたゼットガスタービン発電方法であり、水を電気分解して得たゼットガスを、飽和蒸気発生炉に吹き込んで得た飽和蒸気を、アキュームレーターに貯留し、これを取り出してスーパーヒーターで加熱して高温過熱蒸気とし、この高温過熱蒸気を高圧高温蒸気生成炉に吹き込むと共に、ゼットガスバーナーを用いてゼットガスを燃焼させることにより高圧高温蒸気生成炉を加熱して、高圧高温の高速蒸気流を生成し、この高速蒸気流を蒸気タービンに噴射して、蒸気タービンを高速回転させ、これにより発電機を回転させて発電し、前記蒸気タービンの排気を、前記アキュームレーターへ給送することを特徴としたゼットガスタービン発電方法である。

次にシステムの発明は、ゼットガスを生成するゼットガス発生器と、太陽熱温水槽と、高圧噴霧器と、ゼットガスと、高圧噴霧とを吹き込む高圧高温蒸気生成炉と、蒸気タービンと、発電機とを組み合せて発電することを特徴としたゼットガスタービン発電システムであり、ゼットガス発生器と、蒸気発生器と、アキュームレーターと、スーパーヒーターと、高圧高温蒸気生成炉と、蒸気タービンと、発電機とを組み合せたことを特徴とするゼットガスタービン発電システムである。

更に他の発明は、高圧高温蒸気生成炉は、高圧噴霧中でゼットガスを高温燃焼させて高圧高温の高速蒸気流を生成するものであり、ゼットガス発生器は、水の電気分解により水素ガスと、酸素ガスを生成し、これをそのまま混合して取り出すものである。

前記発明において、高圧高温蒸気は、高圧噴霧にゼットガスバーナーの高温火炎（例えば１５００℃〜３０００℃）を吹きつけることにより、瞬時に高圧蒸気を生成し、高圧高流速の過熱蒸気を生成してタービンを高速回転する。この場合のタービンの回転は従来の蒸気タービンと同様であるから、詳細な説明を省略する。従って、超高圧蒸気から、低圧蒸気まで多段に有効利用できることは従来の蒸気タービンと同様である。

前記における各タービンからの排気は、超高速タービンから、低速タービンまで順次利用され、低速タービンの排気は、熱交換によって復水して、太陽熱温水槽又は蒸気発生器に戻される。また熱交換により生じた熱水は、高圧噴霧器又は蒸気発生器への給水に使用される。

前記のようにして、発生した電気以外のエネルギーは、循環使用されるので、閉回路を形成し、エネルギー損失はきわめて少なくなる。

またゼットガス発生器で使用する電力は、前記蒸気タービンで回転した発電機で生成した電力の一部（ほぼ１０％）を使用するので、化石燃料により得た電力は一切使用することなく、発電することができる。また生成したゼットガスが使用量よりも多い場合には、貯留して他の用途に使用するか、ゼットガスの生成量を制御する。

前記発明におけるエネルギー損失が少ないのは、エネルギーの循環利用であり、発電により使用されるエネルギーは、水、太陽熱、高圧噴霧などの、元来保有されているエネルギーを有効に利用するからである。

特にゼットガスの生成に際し、電気エネルギーの最大利用は勿論、触媒その他を有効利用して、加える電力を上回るゼットガスエネルギーを生成できるので、この点においても、効率を著しく向上させることができる。

この発明の発電は、ゼットガスその他のクリーンエネルギーを使用し、かつ循環利用するので、著しく高い効率を奏するのみならず、無公害発電の特性がある。

また高圧高温蒸気を瞬時に生成し、そのまま使用するので、機器が単純化されるのみならず、熱損失を最少限に止め得る効果がある。

更に全エネルギー系が閉回路、かつ流体であるから、熱損失がきわめて少なく、かつ制御が簡単で、確実に制御できる効果がある。

この発明は、高圧高温蒸気炉中へ、過熱蒸気を吹き込むと共に、ゼットガスバーナーによりゼットガスを燃焼させて、前記過熱蒸気から高圧高温蒸気を生成し、これを蒸気タービンに送り、蒸気タービンを回転させて、この動力により発電機を回転させ、発電する。

現に使用されている蒸気タービンは、高速、中速、低速に多段化され、夫々動力を得て発電機を回転する。この場合に、前使用蒸気を後の蒸気タービンに順次回して使用し、各蒸気タービンを順次回転させるのであるが、中間において蒸気を補充したり、温度調整したりすることがあるが、これらは総て従来技術を採用する。

前記で生じた排気（低温蒸気、例えば２００℃〜３００℃）は、そのままアキュームレーターへ送って貯蔵し（図３）、又は熱交換して、復水分を太陽熱温水槽へ送水し、蒸気分は高圧噴霧器に送り込む。

前記における太陽熱温水槽には、太陽熱温水器で得た温水（例えば８０℃位）を貯蔵し、日照不十分の場合又は夜間に備えるようにしてある。

前記におけるゼットガスは、水を電気分解して生じた水素ガスと酸素ガスをそのまま混合したガスであって、表１に示すように、有害物質の排出０、燃焼スピードが著しく早いなどの特性を有する。この場合に使用する電気は、前記蒸気タービンの発電で得た電気の一部を使用するので、石炭、重油、天然ガスなどの燃料は一切使用しない。従って排気による公害は皆無となる。

更に、この発明の発電方法によれば、全発電サイクルにおいて、有害ガスの発生がなく、総てクリーン系で処理されるので、二次公害のおそれは皆無である。

この発明の実施例を図１について説明すると、蒸気発生器内で発生した蒸気をアキュームレーターに送り、アキュームレーターから必要量宛取り出した蒸気を、スーパーヒーターによって、３００℃〜４００℃の過熱蒸気とし、これを高圧高温蒸気生成炉に噴霧する。この時の噴霧量は、予め蒸気タービンの容量によって定める。

例えば、タービンで圧力１００ｋｇ／ｃｍ^２で７００℃の蒸気を毎秒１０ｍ^３高速流動させるとするならば、前記高圧高温蒸気生成炉内へ圧力１０ｋｇ／ｃｍ^２で３５０℃の過熱蒸気を毎秒１ｍ^３給送するというように、条件に応じて算定する。即ち、高圧高温蒸気生成炉内の過熱蒸気をゼットガスバーナーで２０００℃に加熱して、必要とする圧力、温度の蒸気を得るように設定する。

前記高圧高温蒸気生成炉内は、ゼットガスバーナーで例えば２０００℃に加熱するので、前記過熱蒸気は、急速に高圧高温蒸気となり、予め定めた圧力と温度の高速蒸気流となってタービンの羽根に衝突し、これを回転エネルギーに変える。このようにして高速タービンの排気を中速タービンに給送し、中速タービンの排気を低速タービンに給送して、変換した回転力により発電機を回転させ発電する。前記高速タービンから低速タービンに到るエネルギーの利用は、現技術によるものとする。

ここで生成した電気は、一般需要者に送電すると共に、その一部は、水の電気分解に送電し、ゼットガスの生成に使用する。

この発明の図２の実施例は、前記低速タービンの排気を熱交換器に送り、その低温（例えば１００℃）化した蒸気を高圧噴霧器に送り込み、熱交換に使用した水（例えば水温１００℃）は、太陽熱温水槽へ送水する点が図１と異なる。

前記実施例によれば、ゼットガスにより高圧噴霧を生成すると共に、この高圧噴霧を高圧高温蒸気生成炉中へ吹き込み、ゼットガスバーナーで高温（例えば２０００℃）加熱するので、瞬時に高圧高温蒸気を生成することができる。前記以外の部分は、図１と同様に付説明を省略する。

前記において加えるエネルギーは、総てクリーンエネルギーであるから、これを生成するときは勿論、中間処理及びその排気においても、総てクリーンである。従って、この発明の発電方法には環境汚染のおそれがなく、計画された量の電気を得ることができる。

この発明のシステムの実施例を図３について説明すると、高圧高温蒸気生成炉１へ、複数のスロートノズル２、２から過熱蒸気を高圧噴射すると共に、ゼットガスバーナー３からゼットガスを噴射し、その火炎で、前記過熱蒸気を高温（例えば２０００℃）に加熱する。そこで過熱蒸気は、高圧高温蒸気（例えば４０ＭＰａ、１３００℃）となって、その出口１ａから、蒸気タービン４の羽根に吹きつけられ、これを高速（例えば１００００ｒｐｍ）回転するので、これにより発電機５を回転して発電する。

前記蒸気タービン４の排気は高温（例えば５００℃）であるから、これをそのままアキュームレーター６に送り込み、蒸気を循環利用する。実用上は、前記排気を中速蒸気タービン及び低速蒸気タービンなど複数のタービンに順次供給し、排気温度が３００℃以下になるまで利用する。

前記ゼットガスは、ゼットガス発生器７で、水を電気分解して生成した水素ガスと、酸素ガスをそのまま混合して得たガスであり、２０００℃〜４０００℃の火炎を生じる特性がある。従来知られているブラウンガスと同等の特性がある。

前記蒸気は蒸気発生器８へ、温水を送り込み、ゼットガスの火炎で加熱したセラミックス触媒に吹きつけることにより生成される。そこでこの蒸気をアキュームレーター６に貯留し、必要量宛取り出して、スーパーヒーター９で加熱して過熱蒸気とする。

前記蒸気発生器８においてゼットガスの火炎（例えば２０００℃〜４０００℃）を吹きつけて、高温（例えば２０００℃）になったセラミックス触媒に蒸気（又は熱水）を吹きつけると、瞬時に高温飽和蒸気と一部水素ガス、酸素ガスの混合物となるので、そのままアキュームレーター６へ貯留する。図中１１は分配器である。

前記実施例は、高速蒸気タービン４について説明したが、実際使用に際しては、前記のように中速タービン、低速タービンなど複数のタービンに順次使用して、過熱蒸気のエネルギーを総て利用し、高い効率で発電する。

次に図４の実施例について説明すると、この実施例は図３の実施例中水を太陽熱温水器１２で加温し、これを矢示３６のように太陽熱温水槽１３に貯留する。ついで貯水を矢示３７のように高圧噴霧器１４に給水し、高圧噴霧器１４で生成した噴霧を矢示３８のように給送し、スロートノズル２、２から高圧高温蒸気生成炉１に噴射し、ゼットガスバーナー３から吹き出すゼットガス炎で加熱し、高圧高温蒸気流として蒸気タービン４の羽根に吹きつける。以下、図３の実施例と同一である。

前記実施例においては、蒸気タービン４の排気は、矢示３９のように熱交換器１５に送られて熱交換し、復水は矢示４０のように前記太陽熱温水槽１３へ戻し、低温排気は矢示４１のように外界へ放出される。

前記実施例２の蒸気タービン４は、説明上１台のみとなっているが、実際上は、高速タービン、中速タービン、及び低速タービンと複数のタービンが設置されており、排気を順次利用した後最終排気を熱交換器１５に導くようになっている。

この発明のゼットガス生成の為の電気分解を図５に基づいて説明すると、電解槽２０内に、多数の電極板２１、２１を縦に並列設置して、各電極板２１、２１は導板２２、２２ａにより夫々プラス極、マイナス極を形成している。前記電解槽２０の下部には、送水パイプ２３の一端が連結され、送水パイプ２３の他端は、電解水槽２４に連結してある。

また電解槽２０の上部は、排水パイプ２５の基端が連結され、排水パイプ２５の他端は、前記電解水槽２４の上部の分離匣２６に連結されている。前記電解水槽２４の上部は、混合ガスの排出パイプ２７に連結されている。そこで各電極板２１、２１に通電すると共に、送水パイプ２３のポンプ２８を始動すると、電気分解されて生成した水素ガスと酸素ガスと水を、排水パイプ２５から矢示２９のように取り出し、分離匣２６で分離して、排出パイプ２７から分配器８に送り（図２）、分配器８から必要個所に分配する。前記ゼットガスの発生器７は一例であって、他の構造を採用することもできる。要は、水素ガスと酸素ガスを混合したゼットガスを生成すれば利用することができる。図中３０は電解水槽２４への送水パイプ、３１は水位計測室、３２は水位計、３３は電磁バルブ、３４は給排気パイプ、３５は連通孔である。

前記実施例において、ポンプ２８を始動すると共に、各電極板２１、２１へ通電すれば、電解水槽２４の電解水は、矢示１６、１７、１８のように流動し、流動中に電気分解されて、水素ガス及び酸素ガスが発生し、このガスは上昇水に混入して排水パイプ２５から矢示２９のように流動して分離匣２６に入る。そこで、気液が分離され、液は電解水槽２４に戻り、水素ガスと酸素ガスの混合ガスは、排出パイプ２７から矢示１９のように、分配器１１へ送られ、必要な箇所へ必要量宛分配して給送される。

この発明の実施例のブロック図。 同じく他の実施例のブロック図。 同じく図１の実施例の模式図。 同じく図２の実施例の模式図。 （ａ）同じくゼットガス生成の実施例の説明図、（ｂ）同じく電極板の一部拡大斜視図。

符号の説明

１ 高圧高温蒸気生成炉
２ スロートノズル
３ ゼットガスバーナー
４ 蒸気タービン
５ 発電機
６ アキュームレーター
７ ゼットガス発生器
８ 蒸気発生器
９ スーパーヒーター
１１ 分配器
１２ 太陽熱温水器
１３ 太陽熱温水槽
１４ 高圧噴霧器
１５ 熱交換器

Claims (7)

1. 水を電気分解して生じた水素ガスと酸素ガスをそのまま混合したガス（以下、ゼットガスと呼ぶ。）を、高圧噴霧の噴射される高圧高温蒸気生成炉に吹き込んで燃焼させることにより、高圧高速過熱蒸気を生成し、
   この高圧高速過熱蒸気を蒸気タービンに噴射して蒸気タービンを高速回転させ、この回転により発電機を回転させて発電し、
   前記蒸気タービンの排蒸気を熱交換して、その復水を太陽熱温水槽に給送し、熱交換時に生じた温水を太陽熱温水器の給水とすることを特徴としたゼットガスタービン発電方法。
2. 前記太陽熱温水槽は、前記太陽熱温水器により加温した水を貯留することを特徴とした請求項１記載のゼットガスタービン発電方法。
3. 水を電気分解して生じた水素ガスと酸素ガスをそのまま混合したガス（以下、ゼットガスと呼ぶ。）を、飽和蒸気発生炉に吹き込んで得た飽和蒸気を、アキュームレーターに貯留し、これを取り出してスーパーヒーターで加熱して高温過熱蒸気とし、
   この高温過熱蒸気を高圧高温蒸気生成炉に吹き込むと共に、この高圧高温蒸気生成炉の内部を、ゼットガスバーナーを用いてゼットガスを燃焼させることにより加熱して、高圧高温の高速蒸気流を生成し、
   この高速蒸気流を蒸気タービンに噴射して、蒸気タービンを高速回転させ、これにより発電機を回転させて発電することを特徴としたゼットガスタービン発電方法。
4. 水を電気分解して生じた水素ガスと酸素ガスをそのまま混合したガス（以下、ゼットガスと呼ぶ。）を、飽和蒸気発生炉に吹き込んで得た飽和蒸気を、アキュームレーターに貯留し、これを取り出してスーパーヒーターで加熱して高温過熱蒸気とし、
   この高温過熱蒸気を高圧高温蒸気生成炉に吹き込むと共に、この高圧高温蒸気生成炉の内部を、ゼットガスバーナーを用いてゼットガスを燃焼させることにより加熱して、高圧高温の高速蒸気流を生成し、
   この高速蒸気流を蒸気タービンに噴射して、蒸気タービンを高速回転させ、これにより発電機を回転させて発電し、
   前記蒸気タービンの排気を、前記アキュームレーターへ給送することを特徴としたゼットガスタービン発電方法。
5. 水を電気分解して生じた水素ガスと酸素ガスをそのまま混合したガス（以下、ゼットガスと呼ぶ。）を発生するゼットガス発生器と、太陽熱温水槽と、高圧噴霧器と、ゼットガスと高圧噴霧とを吹き込む高圧高温蒸気生成炉と、蒸気タービンと、発電機とを組み合せて発電することを特徴としたゼットガスタービン発電システム。
6. 水を電気分解して生じた水素ガスと酸素ガスをそのまま混合したガス（以下、ゼットガスと呼ぶ。）を発生するゼットガス発生器と、蒸気発生器と、アキュームレーターと、スーパーヒーターと、高圧高温蒸気生成炉と、蒸気タービンと、発電機とを組み合せたことを特徴とするゼットガスタービン発電システム。
7. 前記高圧高温蒸気生成炉は、高圧噴霧中でゼットガスを高温燃焼させて高圧高温の高速蒸気流を生成することを特徴とした請求項５又は６記載のゼットガスタービン発電システム。

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