JP5315492B1 - Next generation carbon-free power plant and next-generation carbon-free power generation method, and next-generation carbon-free power plant and next-generation carbon-free power generation method - Google Patents

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Abstract

【課題】地球温暖化対策に有効な次世代クリーンエネルギー発電プラント及び次世代クリーンエネルギー発電方法を提供する。
【解決手段】ボイラ本体１２と、ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と水素リッチアンモニアとを燃焼させてボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８と、尿素水を供給する尿素水供給源６０と、ボイラ本体１２に隣接して配置されていて尿素水を加水分解してアンモニアを生成するとともにアンモニアの一部を水素と窒素とに転化して水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクター２２と、アンモニアの残部と水素リッチガスとの混合ガスを水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ライン２１と、高圧蒸気により駆動される動力装置４０と、動力装置により駆動されて発電を行う発電機５０とを備え、クリーンエネルギーによる発電を可能とする。
【選択図】図１A next-generation clean energy power generation plant and a next-generation clean energy power generation method effective for global warming countermeasures are provided.
SOLUTION: A boiler body 12, a hydrogen-rich ammonia combustion burner 18 that is attached to the boiler body and burns combustion air and hydrogen-rich ammonia to generate high-pressure steam in the boiler body, and urea that supplies urea water Hydrogen-rich ammonia that is disposed adjacent to the water supply source 60 and the boiler body 12 and that hydrolyzes urea water to produce ammonia and converts a part of the ammonia to hydrogen and nitrogen to produce a hydrogen-rich gas. The generation reactor 22, the hydrogen-rich ammonia supply line 21 for supplying the mixed gas of the remaining ammonia and the hydrogen-rich gas to the hydrogen-rich ammonia combustion burner, the power unit 40 driven by high-pressure steam, and the power generation driven by the power unit And a generator 50 for performing clean power generation with clean energy.
[Selection] Figure 1

Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

この発明は火力発電プラント及び火力発電方法に関し、特に、地球環境に優しい新しいエネルギー資源を利用した発電プラント及び発電方法に関する。  The present invention relates to a thermal power plant and a thermal power generation method, and more particularly to a power plant and a power generation method using a new energy resource that is friendly to the global environment.

従来技術Conventional technology

世界的な電力需要の拡大に伴い、電力不足が深刻な問題となっている。加えて、環境問題における二酸化炭素排出量削減の課題、さらには、化石燃料消費の削減と再生可能エネルギーへの転換が大きな課題となっている。その有効な解決策として、低炭素化社会に向けた環境に優しい新しいエネルギー資源としてアンモニア及び水素が注目されている。  With the expansion of global power demand, power shortage has become a serious problem. In addition, the issue of reducing carbon dioxide emissions in environmental problems, and further, the reduction of fossil fuel consumption and conversion to renewable energy are major issues. As an effective solution, ammonia and hydrogen are attracting attention as new environmentally friendly energy resources for a low-carbon society.

特許文献１には、液体アンモニアリサーバから供給された液体アンモニアをディーゼルエンジン、ボイラ及びガスタービン等のエネルギー装置の燃料として供給する装置及び方法が開示され、その中で、液体アンモニアリサーバから供給された液体アンモニアをアンモニア加熱器で加熱し、次いで、燃料油タンクから供給された燃料油と混合してアンモニアと燃料油からなるエマルジョン燃料を生成してボイラやエンジンに供給するようにした燃料供給システムが提案されている。  Patent Document 1 discloses an apparatus and a method for supplying liquid ammonia supplied from a liquid ammonia reservoir as a fuel for an energy device such as a diesel engine, a boiler, and a gas turbine. Fuel supply that is heated with an ammonia heater and then mixed with the fuel oil supplied from the fuel oil tank to produce emulsion fuel consisting of ammonia and fuel oil and supply it to the boiler and engine A system has been proposed.

特許文献２には、水分解ガス発生装置をボイラ本体に設置し、水を分解して得た水素ガスと酸素ガスとをボイラ本体内の水中に吹き込んで気体塊を形成し、その気体塊内に水をスプレーしながら、気体塊内にて火花を連続的に発生させることにより効率的に蒸気を発生させるようにして燃料コスト低減を図った環境に優しいボイラ本体が提案されている。  In Patent Document 2, a water splitting gas generator is installed in a boiler body, hydrogen gas and oxygen gas obtained by decomposing water are blown into the water in the boiler body to form a gas lump, An environmentally friendly boiler main body has been proposed in which steam is efficiently generated by continuously generating sparks in a gas mass while water is sprayed on the fuel, thereby reducing fuel costs.

米国公開特許公報２０１０／０２８８２１１号US Published Patent Application 2010/0288211 日本国特許第４００２３５０号Japanese Patent No. 4002350

ところで、特許文献１に開示された燃料供給システムでは、液体アンモニアリサーバに貯蔵した液体アンモニアを燃料の一部として利用している。アンモニア自体は天然ガスと二酸化炭素を原料として生産され、燃焼時には水と窒素のみが排出されるため、地球環境に優しいエネルギー源として、近年、最も注目されている。しかし、液体アンモニアは火災・爆発の危険性が高い上に人体に有毒であり、しかも金属腐食性が高い。そのため、液体アンモニアの使用には関連部品の耐久性の維持が困難であり、燃料供給システムの安全性や信頼性に大きな課題が残っていた。さらに、アンモニアは難燃性で燃焼速度も遅いため、未燃アンモニアが排出されやすい。その解決策として、アンモニアを燃料油と混合して得たエマルジョン燃料を燃焼させるようにしていたため、化石燃料への依存度を下げて地球環境保全に貢献させることができなかった。  By the way, in the fuel supply system disclosed in Patent Document 1, liquid ammonia stored in a liquid ammonia reservoir is used as part of the fuel. Ammonia itself is produced using natural gas and carbon dioxide as raw materials, and only water and nitrogen are discharged during combustion. However, liquid ammonia has a high risk of fire and explosion, is toxic to the human body, and is highly corrosive to metals. For this reason, it is difficult to maintain the durability of related parts when using liquid ammonia, and there are still significant problems in the safety and reliability of the fuel supply system. Furthermore, since ammonia is flame retardant and has a low burning rate, unburned ammonia is likely to be discharged. As a solution to this problem, emulsion fuel obtained by mixing ammonia with fuel oil was burned, so it was not possible to reduce the dependence on fossil fuel and contribute to global environmental conservation.

特許文献２に開示されたボイラ本体において、水分解ガス発生装置では、攪拌槽に水素化ニッケル（ＮｉＨ２）が添加された水（Ｈ２Ｏ）が貯留されていて攪拌羽根によって攪拌される。攪拌槽から取り出した水は加熱手段によって加熱されて高温水となり、連続液体供給型遠心分離機の処理槽に送られ、高速回転モータの回転によって水分子の水素原子と酸素原子の結合を解離させる構造となっている。このボイラ本体は、第１に、極めて高価な水素化ニッケルを大量に消耗し、第２に、高速回転モータの電力消費が大きい、第３に、部品点数が多いため、装置が複雑化すると共に生産コストが上昇する。特に、高価な水素化ニッケルの大量使用により、ボイラ本体のランニングコストが大幅に上昇する。したがって、このようなボイラ本体を広く普及させて温暖化ガス排出抑制に利用することが困難となっていた。In the boiler main body disclosed in Patent Document 2, in the water splitting gas generator, water (H 2 O) to which nickel hydride (NiH 2) is added is stored in a stirring tank and stirred by a stirring blade. The water taken out from the agitation tank is heated by heating means to become high-temperature water, sent to the treatment tank of the continuous liquid supply centrifuge, and dissociates the bonds between hydrogen atoms and oxygen atoms of water molecules by the rotation of the high-speed rotation motor. It has a structure. This boiler body first consumes a large amount of extremely expensive nickel hydride, secondly consumes a large amount of power of a high-speed rotary motor, and thirdly, has a large number of parts, resulting in complicated equipment. Production costs increase. In particular, the running cost of the boiler body is significantly increased due to the large amount of expensive nickel hydride used. Therefore, it has been difficult to widely disseminate such a boiler body and use it to suppress greenhouse gas emissions.

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、安全性や信頼性が高く、しかも、地球温暖化対策に有効な次世代カーボンフリー発電プラント及び次世代カーボンフリー発電方法並びに次世代カーボンフリー発電プラント及び次世代カーボンフリー発電方法に利用する尿素水を提供することを目的とする。  The present invention has been made in view of such conventional problems, and is a next-generation carbon-free power plant, a next-generation carbon-free power generation method, and a next-generation carbon-free power plant that have high safety and reliability and are effective in combating global warming. It aims at providing the urea water utilized for a carbon free power generation plant and the next generation carbon free power generation method.

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電プラントが、ボイラ本体と、前記ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させて前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記ボイラ本体に隣接して配置されていて前記尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともに前記アンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクターと、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記水素リッチアンモニアとして前記高温の水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ラインと、前記高圧蒸気により駆動される動力装置と、前記動力装置により駆動されて発電を行う発電機とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、前記ボイラ本体内に収納されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される第１及び第２伝熱部材と、前記第１伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温のアンモニアを生成する加水分解部と、前記第２伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解触媒を備えたアンモニア分解部とを備えることを要旨とする。In order to achieve the above object, according to the invention described in claim 1, a next-generation carbon-free power plant includes a boiler body, combustion air and high-temperature hydrogen-rich ammonia that are mounted on the boiler body. A hydrogen-rich ammonia combustion burner that generates high-pressure steam in the boiler body, a urea water supply source that supplies urea water, and is disposed adjacent to the boiler body to hydrolyze the urea water A hydrogen-rich ammonia production reactor that produces high-temperature ammonia and converts a part of the ammonia into hydrogen and nitrogen to produce a high-temperature hydrogen-rich gas, and a mixture of the remainder of the high-temperature ammonia and the high-temperature hydrogen-rich gas Hydrogen rich ammonia supplying gas to the high temperature hydrogen rich ammonia combustion burner as the hydrogen rich ammonia A supply line, wherein a power device driven by a high-pressure steam, and a generator for generating electric power by being driven by the power unit, the hydrogen-rich ammonia production reactor, the combustion have been housed in the boiler body First and second heat transfer members that are heated using part of the heat energy of the gas as a heat source, and the urea water is hydrolyzed in the presence of the heat energy of the combustion gas that is disposed on the first heat transfer member A hydrolysis section for generating the high-temperature ammonia; and a portion of the ammonia in the presence of the thermal energy of the combustion gas disposed in the second heat transfer member to decompose the high-temperature hydrogen-rich gas. and a ammonia decomposition portion having the formed ammonia decomposition catalyst summarized as Rukoto.

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加え、前記ボイラ本体に装着されていて前記燃焼用空気と炭素質燃料とを燃焼させて前記高圧蒸気を発生させる炭素質燃料燃焼バーナと、前記炭素質燃料燃焼バーナに炭素質燃料を供給する炭素質燃料供給タンクと、前記炭素質燃料燃焼バーナへの前記炭素質燃料の供給流量を制御する流量制御とをさらに備えることを要旨とする。According to the invention described in claim 2 , in addition to the structure of claim 1, the carbonaceous material that is attached to the boiler body and generates the high-pressure steam by burning the combustion air and carbonaceous fuel. A fuel combustion burner; a carbonaceous fuel supply tank that supplies carbonaceous fuel to the carbonaceous fuel combustion burner; and a flow rate control that controls a supply flow rate of the carbonaceous fuel to the carbonaceous fuel combustion burner. Is the gist.

請求項３に記載された発明によれば、請求項１又は２記載の構成に加え、前記ボイラ本体と前記尿素水供給ラインとの間に接続されたパージガス供給ラインと、前記パージガス供給ラインに設置されたパージガス供給制御弁とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターへの前記尿素水の供給が遮断されたときに前記パージガス供給制御弁が前記高圧蒸気の一部をパージガスとして前記尿素水供給ライン、前記水素リッチアンモニア生成リアクター、前記水素リッチアンモニア供給ライン及び前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに導入して未反応尿素及び残留ガスを排出することを要旨とする。According to the invention described in claim 3 , in addition to the configuration of claim 1 or 2 , the purge gas supply line connected between the boiler body and the urea water supply line, and the purge gas supply line are installed. A purge gas supply control valve, and when the urea water supply to the hydrogen-rich ammonia production reactor is shut off, the purge gas supply control valve uses the high-pressure steam as a purge gas for the urea water supply line, The gist is to introduce the hydrogen-rich ammonia production reactor, the hydrogen-rich ammonia supply line, and the hydrogen-rich ammonia combustion burner to discharge unreacted urea and residual gas.

請求項４に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、ケーシングと、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水供給源から供給された前記尿素水を導入する尿素水吸入ポートと、前記尿素水を加水分解して前記アンモニアを生成する加水分解部と、前記加水分解部の後流側に配置されていて前記アンモニアの残部を取り出して前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給するアンモニア抽出ポートと、前記アンモニア抽出ポートに隣接して配置されていて前記アンモニアの流量を制限する流量制限部材と、前記流量制限部材を介して前記加水分解部に連通していて前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解部と、前記アンモニア分解部から延びていて前記水素リッチガスを前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給する水素リッチガス抽出ポートとを備えることを要旨とする。According to the invention described in claim 4 , in addition to the configuration of claim 1, the hydrogen-rich ammonia generation reactor is formed in the casing, and the urea formed in the casing and supplied from the urea water supply source A urea water intake port for introducing water; a hydrolysis part for hydrolyzing the urea water to produce the ammonia; and a hydrogen gas which is disposed on the downstream side of the hydrolysis part and takes out the remaining ammonia. An ammonia extraction port for supplying to the rich ammonia supply line, a flow restriction member that is disposed adjacent to the ammonia extraction port and restricts the flow rate of the ammonia, and communicates with the hydrolysis unit via the flow restriction member An ammonia decomposition part that decomposes part of the ammonia to generate the high-temperature hydrogen-rich gas, and the ammonia decomposition part Extend et and summarized in that and a hydrogen-rich gas extraction port for supplying the hydrogen-rich gas in the hydrogen-rich ammonia supply line.

請求項５に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電プラントが、ボイラ本体と、前記ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させて前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記ボイラ本体に隣接して配置されていて前記尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともに前記アンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクターと、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記水素リッチアンモニアとして前記高温の水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ラインと、前記高圧蒸気により駆動される動力装置と、前記動力装置により駆動されて発電を行う発電機とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水吸入ポートに連通するアークプラズマ発生室と、前記アークプラズマ発生室に配置されていてアーク電源から予め定められた周期のパルス電圧が供給される一対のアーク電極と、前記一対のアーク電極に接触して前記アークプラズマ発生室に充填された多数の発熱球体と、前記発熱球体の隙間に形成されていて前記尿素水を通過させる多数の乱流発生経路とを備え、前記アンモニア分解部が前記アークプラズマ発生室に隣接して形成されていてアンモニア分解触媒を収納したアンモニア分解室を備え、前記尿素水が前記乱流発生経路を通過しながら前記多数の発熱球体と接触して加熱されることで前記アンモニアに転化されることを要旨とする。According to the invention described in claim 5 , the next-generation carbon-free power plant is installed in the boiler body and the boiler body to burn combustion air and high-temperature hydrogen-rich ammonia. A hydrogen-rich ammonia combustion burner that generates high-pressure steam, a urea water supply source that supplies urea water, and disposed adjacent to the boiler body to hydrolyze the urea water to generate high-temperature ammonia and A hydrogen-rich ammonia production reactor that converts a part of ammonia into hydrogen and nitrogen to produce a high-temperature hydrogen-rich gas, and a mixed gas of the remaining high-temperature ammonia and the high-temperature hydrogen-rich gas as the hydrogen-rich ammonia. A hydrogen-rich ammonia supply line for supplying a high-temperature hydrogen-rich ammonia combustion burner; A power device driven by, an electric generator for generating electric power by being driven by the power unit, the hydrogen-rich ammonia production reactor, an arc plasma generator in communication with the urea water suction port is formed in said casing A chamber, a pair of arc electrodes arranged in the arc plasma generation chamber and supplied with a pulse voltage of a predetermined cycle from an arc power source, and the arc plasma generation chamber is filled in contact with the pair of arc electrodes And a plurality of turbulent flow generation paths that are formed in gaps between the heating spheres and allow the urea water to pass therethrough, and the ammonia decomposition part is formed adjacent to the arc plasma generation chamber. An ammonia decomposition chamber containing an ammonia decomposition catalyst, and the urea water passes through the turbulent flow generation path while In contact with the heating sphere converted to the ammonia by being heated is that the gist of the.

請求項６に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電方法が、高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気との燃焼により燃焼ガスを発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体に設置し、前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに水素リッチアンモニア生成リアクターを接続し、前記水素リッチアンモニア生成リアクターに前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される第１及び第２伝熱部材と、前記第１伝 熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温のアンモニアを生成する加水分解部と、前記第２伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解触媒を備えたアンモニア分解部とを設け、前記水素リッチアンモニア生成リアクターの前記第１伝熱部材に尿素水を供給して高温のアンモニアを発生させ、前記高温のアンモニアの一部をさらに前記第２伝熱部材で窒素と水素に転化して高温の水素リッチガスを発生させ、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記高温の水素リッチアンモニアとして前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給して得た燃焼ガスの熱エネルギーを利用して前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させ、前記高圧蒸気により動力装置を作動させて発電機により発電させることを要旨とする。According to the invention described in claim 6 , in the next generation carbon-free power generation method, a hydrogen-rich ammonia combustion burner that generates combustion gas by combustion of high-temperature hydrogen-rich ammonia and combustion air is installed in the boiler body. A hydrogen-rich ammonia production reactor connected to the hydrogen-rich ammonia combustion burner, and the first and second heat transfer members heated in the hydrogen-rich ammonia production reactor using a part of the thermal energy of the combustion gas as a heat source; hydrolysis unit for hydrolyzing the urea water is disposed in one heat transfer member in the presence of heat energy of the combustion gas to generate the hot ammonia, it is arranged in the second heat transfer member Ammonia that decomposes part of the ammonia in the presence of thermal energy of the combustion gas to produce the high-temperature hydrogen-rich gas The ammonia decomposition portion having a solution catalyst provided, wherein by supplying a hydrogen-rich ammonia urea water to the first heat transfer member of the production reactor to generate the hot ammonia, further wherein the first part of the hot ammonia 2. Converting to nitrogen and hydrogen by a heat transfer member to generate a high-temperature hydrogen-rich gas, and using the mixed gas of the remaining high-temperature ammonia and the high-temperature hydrogen-rich gas as the high-temperature hydrogen-rich ammonia, the hydrogen-rich ammonia combustion burner The main point is to generate high-pressure steam in the boiler body using the thermal energy of the combustion gas obtained by supplying to the power source, operate the power unit with the high-pressure steam, and generate power by the generator.

請求項７に記載された発明によれば、請求項１〜５のいずれかに記載の次世代カーボンフリー発電プラント並びに請求項６記載の次世代カーボンフリー発電方法に利用される尿素水であって、前記尿素水が、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液と、尿素と、水からなり、前記尿素水が前記ボイラ本体の排熱回収エネルギーで予熱されることを要旨とする。According to the invention described in claim 7 , urea water used in the next-generation carbon-free power generation plant according to any one of claims 1 to 5 and the next-generation carbon-free power generation method according to claim 6. The urea water is composed of an alkali catalyst solution mainly composed of at least one selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, carbonates and silicates, urea and water, and the urea water is the boiler. The main point is that it is preheated with the exhaust heat recovery energy of the main body.

請求項１記載の構成において、次世代カーボンフリー発電プラントでは、水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体に装着し、ボイラ本体に隣接して水素リッチアンモニア生成リアクターを配備して尿素水から高温の水素リッチアンモニアを生成し、この高温の水素リッチアンモニアを燃焼用空気と混合して燃焼させる構成を採用している。高温の水素リッチアンモニアは燃焼用空気と混合して均一混合気となり、ボイラ本体で完全燃焼して高圧蒸気を発生させ、この高圧蒸気により動力装置を介して発電機を駆動するようにしている。アンモニアは難燃性であるため、なかなか燃えにくいが、アンモニアに水素が混合した状態で高温となっているため、アンモニアは完全に気化した状態となり、必然的に燃焼用空気と良く混合し均一混合気が形成される。水素リッチアンモニア生成リアクターが燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材を備え、これら伝熱部材に加水分解部とアンモニア分解部とを収納し、加水分解部とアンモニア分解部との間に流量制限部材を備える。したがって、水素リッチアンモニア生成リアクターの部品点数を大幅に削減して水素リッチアンモニア生成リアクターの小型高性能化と高信頼性を達成することが可能となり、水素リッチアンモニア生成リアクターの低コスト化も可能となる。水素リッチアンモニア生成リアクターの構成部品はステンレス等のアンモニアに対する耐腐食性の材料で構成することができるため、耐久性も向上させることができる。本発明の次世代カーボンフリー発電プラントでは、プラントの設置領域内において、オンデマンドにて尿素水から高温の水素リッチアンモニアを直接、製造することにより、取り扱い上危険な液体アンモニアの使用を不要としている。尿素水自体は、安全で取り扱いが容易であり、しかも、世界中においてどこでも極めて低コストで調達可能な工業用又は農業用尿素を利用して生成することができる。アンモニア自体は燃焼速度が遅く、着火性が悪いが、高温の水素リッチアンモニアの採用によって、着火性の良いクリーン燃料をオンデマンドで製造することができる。水素リッチアンモニアは単独で使用しても良く、或いは、天然ガス等の低炭素燃料用バーナと併用して使用することもでき、そのため、火力発電において、石炭、重油、灯油等の化石燃料への依存度を大幅に低下させ、温暖化ガス排出の削減に貢献して、低炭素化社会の実現を可能にする。また、クリーン燃料の採用により化石燃料の需要を低下させ、その結果、発電における燃料コスト上昇を大幅に抑制することが可能となり、経済的なメリットも大きい。2. The structure according to claim 1, wherein in the next generation carbon-free power plant, a hydrogen-rich ammonia combustion burner is attached to the boiler body, and a hydrogen-rich ammonia generation reactor is provided adjacent to the boiler body so that the hydrogen-rich ammonia is heated from urea water. A configuration is adopted in which ammonia is generated and this high-temperature hydrogen-rich ammonia is mixed with combustion air and burned. The high-temperature hydrogen-rich ammonia is mixed with the combustion air to form a uniform mixture, and is completely burned in the boiler body to generate high-pressure steam, and the generator is driven by the high-pressure steam through the power unit. Ammonia is incombustible, so it is hard to burn, but because ammonia is in a high temperature with hydrogen mixed, ammonia is completely vaporized and inevitably mixed well with combustion air and mixed uniformly Qi is formed. The hydrogen-rich ammonia production reactor includes heat transfer members that are heated using a part of the thermal energy of the combustion gas as a heat source, and the hydrolysis unit and the ammonia decomposition unit are accommodated in these heat transfer members, and the hydrolysis unit and the ammonia decomposition unit A flow restriction member is provided between the two. Therefore, the number of parts of the hydrogen-rich ammonia production reactor can be greatly reduced, and the hydrogen-rich ammonia production reactor can be reduced in size, performance and reliability, and the cost of the hydrogen-rich ammonia production reactor can be reduced. Become. Since the components of the hydrogen-rich ammonia production reactor can be made of a corrosion-resistant material such as stainless steel, durability can also be improved. In the next generation carbon-free power plant of the present invention, high-temperature hydrogen-rich ammonia is directly produced from urea water on demand within the installation area of the plant, thereby making it unnecessary to use liquid ammonia that is dangerous for handling. . The urea water itself is safe and easy to handle, and can be produced using industrial or agricultural urea that can be procured at very low cost anywhere in the world. Ammonia itself has a slow combustion rate and poor ignitability, but by using high-temperature hydrogen-rich ammonia, clean fuel with good ignitability can be produced on demand. Hydrogen-rich ammonia may be used alone or in combination with a burner for low-carbon fuels such as natural gas. Therefore, in thermal power generation, fossil fuels such as coal, heavy oil and kerosene are used. It will greatly reduce dependence and contribute to the reduction of greenhouse gas emissions, enabling the realization of a low-carbon society. In addition, the use of clean fuel can reduce the demand for fossil fuel, and as a result, it is possible to greatly suppress the increase in fuel cost in power generation, which has great economic merit.

請求項２記載の発明では、前記ボイラ本体に水素リッチアンモニア燃焼バーナと炭素質燃料燃焼バーナが装着されていて水素リッチアンモニアと炭素質燃料とを燃焼させることができるため、温暖化ガス排出を抑制しながら火力発電における発電コストを著しく低減すろことが可能となり環境対策と経済効果に顕著なメリットを有する。In the invention according to claim 2 , since the hydrogen-rich ammonia combustion burner and the carbonaceous fuel combustion burner are attached to the boiler main body and the hydrogen-rich ammonia and the carbonaceous fuel can be burned, the greenhouse gas emission is suppressed. However, it is possible to remarkably reduce the power generation cost in thermal power generation, which has remarkable advantages in environmental measures and economic effects.

請求項３記載の構成では、ボイラ水を加熱して蒸気を発生するボイラ本体と水素リッチアンモニア生成リアクターとの間に接続された蒸気抽出管に蒸気供給制御弁を設置している。そのため、水素リッチアンモニア生成リアクターへの尿素水の供給が遮断された際に、ボイラで発生した蒸気をパージガスとして水素リッチアンモニア生成リアクターに導入して水素リッチアンモニア生成リアクターに残留する未反応尿素と残留ガスとを排出させている。そのため、ボイラの運転停止時に、未反応尿素の析出による前記水素リッチアンモニア生成リアクターの閉塞を回避し、腐食性が高く、しかも、可燃性の残留ガスがボイラ内部に残留することによる構成部品の劣化を防止する構造となっている。このため、ボイラの安全性と耐久性を飛躍的に向上させることができる。また、水素リッチアンモニア生成リアクターはボイラの運転停止時に常に清浄な状態に維持されるため、ボイラの起動や運転が円滑に行われ、その分信頼性も向上する。In the configuration of the third aspect , the steam supply control valve is installed in the steam extraction pipe connected between the boiler main body that generates steam by heating the boiler water and the hydrogen-rich ammonia generation reactor. Therefore, when the supply of urea water to the hydrogen-rich ammonia production reactor is shut off, steam generated in the boiler is introduced as a purge gas into the hydrogen-rich ammonia production reactor and unreacted urea remaining in the hydrogen-rich ammonia production reactor The gas is discharged. Therefore, when the boiler is shut down, the hydrogen-rich ammonia production reactor is prevented from clogging due to precipitation of unreacted urea, and the corrosive and flammable residual gas remains inside the boiler. It has a structure to prevent. For this reason, the safety and durability of the boiler can be dramatically improved. In addition, since the hydrogen-rich ammonia production reactor is always kept clean when the boiler is stopped, the boiler can be started and operated smoothly, and the reliability is improved accordingly.

請求項４記載の構成では、水素リッチアンモニア生成リアクターが、尿素水を加水分解してアンモニアを生成する加水分解部と、流量制限部材を介して加水分解部に連通していてアンモニアの一部を分解して水素リッチガスを生成するアンモニア分解部とを備える。このため、簡単で安全な構造にて水素リッチアンモニアを容易に低コストでオンデマンドで生成することができる。そのため、原油高騰に左右されることなく、極めて低いランニングコストで発電が可能となり、優れた経済効果をもたらすことができる。In the configuration of claim 4 , the hydrogen-rich ammonia production reactor communicates with the hydrolysis unit that hydrolyzes the urea water to generate ammonia, and the hydrolysis unit via the flow rate limiting member, and part of the ammonia is removed. An ammonia decomposing unit that decomposes to generate a hydrogen-rich gas. For this reason, hydrogen-rich ammonia can be easily produced at low cost on demand with a simple and safe structure. Therefore, it is possible to generate power at an extremely low running cost without being influenced by the rise in crude oil, and an excellent economic effect can be brought about.

請求項５記載の特徴によれば、アーク電源から予め定められた周期のパルス電圧が供給される一対のアーク電極が加水分解部のアークプラズマ発生室に配置され、一対のアーク電極に接触して多数の発熱球体がアークプラズマ発生室に充填され、アークプラズマ発生室に隣接してアンモニア分解触媒を収納したアンモニア分解室が配置されている。そのため、簡単で安全な構造にて水素リッチアンモニアを容易に低コストでオンデマンドで生成することができる。そのため、原油高騰に左右されることなく、極めて低いランニングコストで発電が可能となり、優れた経済効果をもたらすことができる。According to the fifth aspect of the present invention, a pair of arc electrodes to which a pulse voltage having a predetermined cycle is supplied from the arc power source are disposed in the arc plasma generation chamber of the hydrolysis unit, and contact the pair of arc electrodes. A large number of exothermic spheres are filled in the arc plasma generation chamber, and an ammonia decomposition chamber containing an ammonia decomposition catalyst is disposed adjacent to the arc plasma generation chamber. Therefore, hydrogen-rich ammonia can be easily generated at low cost on demand with a simple and safe structure. Therefore, it is possible to generate power at an extremely low running cost without being influenced by the rise in crude oil, and an excellent economic effect can be brought about.

請求項６記載の特徴によれば、次世代カーボンフリー発電方法において、ボイラ本体に水素リッチアンモニア燃焼バーナを設置して高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させるようにし、前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに水素リッチアンモニア生成リアクターを接続して、前記水素リッチアンモニア生成リアクターに尿素水を供給して高温のアンモニアをオンデマンドで発生させ、前記高温のアンモニアの一部をさらに窒素と水素に転化して高温の水素リッチガスを発生させ、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスとにより高温の水素リッチアンモニアを生成している。このため、取り扱いの容易な尿素水から安定して高温の水素リッチアンモニアをボイラ本体内で完全燃焼させることが可能となり、化石燃料への依存度を大幅に抑制することができ、低炭素化社会の実現に貢献すると共に、発電コストを大幅に低下させることができる。According to the feature of claim 6 , in the next generation carbon-free power generation method, a hydrogen-rich ammonia combustion burner is installed in a boiler body so that high-temperature hydrogen-rich ammonia and combustion air are burned, and the hydrogen-rich ammonia A hydrogen-rich ammonia production reactor is connected to the combustion burner, and urea water is supplied to the hydrogen-rich ammonia production reactor to generate high-temperature ammonia on demand, and a part of the high-temperature ammonia is further converted into nitrogen and hydrogen. Thus, a high-temperature hydrogen-rich gas is generated, and a high-temperature hydrogen-rich ammonia is generated by a mixed gas of the remaining high-temperature ammonia and the high-temperature hydrogen-rich gas. For this reason, it is possible to stably burn high-temperature hydrogen-rich ammonia from urea water, which is easy to handle, within the boiler body, greatly reducing dependence on fossil fuels, and reducing the As well as contributing to the realization of power generation, the power generation cost can be significantly reduced.

請求項７記載の特徴によれば、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液を尿素水に添加した水溶液であるため、加水分解部がボイラ本体内で、例えば、８００℃以上の高温の燃焼ガスで加熱された際に、アルカリ触媒の存在下で尿素を効率よく加水分解してアンモニア生成効率が増大する。尿素水における尿素の濃度は、ボイラ本体の運転条件によって選択しても良い。即ち、天然ガスとの併用運転時には、３５〜７５％濃度となるように尿素水を調整してもよい。また、水素リッチアンモニアを単独でボイラ本体に使用する場合は、尿素水における尿素の濃度を５０〜９５％の範囲で調整しても良い。尿素濃度が５０％以下では、水素リッチアンモニアの熱量が小さくなり、ボイラ本体の効率を高めることができない。尿素濃度が９５％以上では、尿素水の粘度が著しく上昇し、配管類の目詰まりが激しくなるため、その取り扱いが困難となり、得策ではない。尿素水が、例えば、約８００℃に加熱されると、アルカリ触媒の存在下で、▲１▼式のように、熱分解する。熱分解により生成したイソシアン酸（ＨＮＣＯ）は、水蒸気と反応して加水分解し▲２▼式のようにＮＨ３とＣＯ２に転化する。この時、イソシアン酸はＨ２Ｏと反応し▲３▼式のようにＮＨ３とＣＯ２に加水分解される。なお、アンモニアの一部はアンモニア分解触媒の存在下で▲４▼式のように３Ｈ２とＮ２に転化され、水素リッチガスとなる。

Figure 0005315492
According to the feature of claim 7, since it is an aqueous solution obtained by adding an alkaline catalyst solution mainly composed of one or more selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, carbonates and silicates to urea water, When the hydrolysis section is heated in the boiler body with, for example, a high-temperature combustion gas of 800 ° C. or higher, urea is efficiently hydrolyzed in the presence of an alkali catalyst, and ammonia production efficiency is increased. The concentration of urea in the urea water may be selected according to the operating conditions of the boiler body. That is, during combined operation with natural gas, the urea water may be adjusted to a concentration of 35 to 75%. Moreover, when using hydrogen rich ammonia alone for a boiler main body, you may adjust the density | concentration of urea in urea water in 50 to 95% of range. When the urea concentration is 50% or less, the amount of heat of the hydrogen-rich ammonia becomes small, and the efficiency of the boiler body cannot be increased. When the urea concentration is 95% or more, the viscosity of the urea water is remarkably increased and the pipes are clogged severely. When urea water is heated to, for example, about 800 ° C., it is thermally decomposed in the presence of an alkali catalyst as shown in the formula (1). Isocyanic acid (HNCO) produced by thermal decomposition reacts with water vapor to be hydrolyzed and converted into NH 3 and CO 2 as shown in the formula (2). At this time, isocyanic acid reacts with H 2 O and is hydrolyzed to NH 3 and CO 2 as shown in the formula ( 3 ). A part of ammonia is converted to 3H 2 and N 2 in the presence of an ammonia decomposition catalyst as shown in the formula (4) to become a hydrogen rich gas.
Figure 0005315492

本発明の第１実施例による次世代カーボンフリー発電プラントのブロック図を示す。1 shows a block diagram of a next-generation carbon-free power plant according to a first embodiment of the present invention. FIG. 図１に示した第１実施例による次世代カーボンフリー発電プラントで採用された水素リッチアンモニア生成リアクターの概略図を示す。The schematic of the hydrogen rich ammonia production | generation reactor employ | adopted with the next generation carbon free power generation plant by 1st Example shown in FIG. 1 is shown. 本発明の第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラントのブロック図を示す。The block diagram of the next-generation carbon-free power plant by 2nd Example of this invention is shown. 図３に示した第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラントで採用された水素リッチアンモニア生成リアクターの概略断面図を示す。FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a hydrogen-rich ammonia production reactor employed in the next-generation carbon-free power plant according to the second embodiment shown in FIG. 3.

以下、本発明の実施例による次世代カーボンフリー発電プラントについて説明する。図１において、次世代カーボンフリー発電プラント１０は、高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気との均一な混合気を生成して燃焼させて高圧蒸気を生成するボイラ本体１２を備える。このボイラ本体１２の下部に燃焼装置１４が設けられている。この燃焼装置１４は、ボイラ本体壁に装着された複数の炭素質燃料燃焼バーナ１６と、複数の水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８を備える。本実施例にて、水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８の下側に複数の炭素質燃料燃焼バーナ１６が装着された構造が示されているが、炭素質燃料燃焼バーナ１６と水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８の配置関係は上下逆であってもよい。炭素質燃料燃焼バーナ１６は、流量制御弁ＦＣＶ１及びポンプＰ１を介して炭素質燃料供給タンク２０に接続される。炭素質燃料供給タンク２０に貯蔵される炭素質燃料としては、重油、灯油、ＬＰＧ又はＬＮＧ等の化石燃料か廃食用油等の炭素質燃料が利用される。  Hereinafter, a next-generation carbon-free power plant according to an embodiment of the present invention will be described. In FIG. 1, a next-generation carbon-free power plant 10 includes a boiler body 12 that generates a high-pressure steam by generating and burning a uniform air-fuel mixture of high-temperature hydrogen-rich ammonia and combustion air. A combustion device 14 is provided below the boiler body 12. The combustion apparatus 14 includes a plurality of carbonaceous fuel combustion burners 16 mounted on a boiler body wall and a plurality of hydrogen-rich ammonia combustion burners 18. In the present embodiment, a structure in which a plurality of carbonaceous fuel combustion burners 16 are mounted on the lower side of the hydrogen rich ammonia combustion burner 18 is shown. The arrangement relationship may be upside down. The carbonaceous fuel combustion burner 16 is connected to the carbonaceous fuel supply tank 20 via the flow control valve FCV1 and the pump P1. As the carbonaceous fuel stored in the carbonaceous fuel supply tank 20, a fossil fuel such as heavy oil, kerosene, LPG or LNG, or a carbonaceous fuel such as waste cooking oil is used.

また、燃焼装置１４は、各燃焼バーナ１６，１８に燃焼用空気を供給可能な空気供給配管１９を有しており、この空気供給配管１９は、基端部に熱交換器ＨＥを介して送風機２３が装着され、先端部がボイラ本体１２の外周側に設けられた風箱２５に連結されている。熱交換器ＨＥではボイラ本体１２の排熱エネルギーを回収して燃焼用空気を２００〜３００℃の範囲に昇温して、風箱２５に供給する。風箱２５に供給された燃焼用空気を各燃焼バーナ１６，１８に供給する。  Further, the combustion device 14 has an air supply pipe 19 that can supply combustion air to the combustion burners 16 and 18, and this air supply pipe 19 is blown to the base end portion via a heat exchanger HE. 23 is attached, and the front-end | tip part is connected with the wind box 25 provided in the outer peripheral side of the boiler main body 12. As shown in FIG. In the heat exchanger HE, the exhaust heat energy of the boiler body 12 is recovered, the temperature of combustion air is raised to a range of 200 to 300 ° C., and supplied to the wind box 25. The combustion air supplied to the wind box 25 is supplied to the combustion burners 16 and 18.

ボイラ本体１２は、上部に煙道１２ｂが連結されており、この煙道１２ｂに、対流伝熱部として排ガスの熱を回収するための、節炭器２４、蒸発器２６、一次過熱器２８、二次過熱器３０、再熱器３２等からなる蒸発管類が配置され、ボイラ本体１２で発生する燃焼ガスの熱エネルギーとボイラ水との間で熱交換が行われる。煙道１２ｂは、その下流側に熱交換を行った排ガスが排出される後流側伝熱部１２ｃが連結されている。この後流側伝熱部１２ｃには、脱硝装置３６と熱交換器ＨＥとが連結される。  The boiler main body 12 has a flue 12b connected to the upper portion thereof, and the flue 12b has a economizer 24, an evaporator 26, a primary superheater 28 for recovering heat of exhaust gas as a convection heat transfer section, Evaporating tubes including the secondary superheater 30 and the reheater 32 are arranged, and heat exchange is performed between the thermal energy of the combustion gas generated in the boiler body 12 and the boiler water. The flue 12b is connected to the downstream side heat transfer section 12c to which the exhaust gas subjected to heat exchange is discharged downstream. A denitration device 36 and a heat exchanger HE are connected to the downstream side heat transfer section 12c.

給水ポンプＰ２から供給されたボイラ水Ｗは、節炭器２４によって予熱された後、蒸発器２６で飽和蒸気となり、飽和蒸気は過熱器２８，３０に導入され、燃焼ガスＣＧによって加熱される。過熱器２８，３０で生成された過熱蒸気は高圧蒸気ライン３８及び流量制御弁ＦＣＶ３を介して動力装置４０の高圧エンジン部４０ａに供給される。高圧エンジン部４０ａの膨張蒸気は、蒸気再熱ライン４２を介して再熱器３２に導入され、再度加熱されて再熱蒸気ライン４４を介して動力装置４０の低圧エンジン部４０ｂに戻される。低圧エンジン部４０ｂの膨張蒸気ＥＳは覆水器４６で凝縮されて温水となり、この温水は給水ポンプＰ２を介して節炭器２４に循環され、以後、同一サイクルが繰り返される。動力装置４０には発電機５０が連結されて発電を行う。動力装置４０としては、例えば、同一発明者の発明による特願２０１１−２９０７２０号（発明の名称：回転式流体機械）に開示された回転式流体機械がロータリー蒸気エンジンとして使用されるが、公知の蒸気タービンを使用しても良い。  The boiler water W supplied from the feed water pump P2 is preheated by the economizer 24, then becomes saturated steam in the evaporator 26, and the saturated steam is introduced into the superheaters 28 and 30 and heated by the combustion gas CG. The superheated steam generated by the superheaters 28 and 30 is supplied to the high pressure engine section 40a of the power unit 40 via the high pressure steam line 38 and the flow rate control valve FCV3. The expanded steam of the high-pressure engine unit 40 a is introduced into the reheater 32 through the steam reheat line 42, heated again, and returned to the low-pressure engine unit 40 b of the power unit 40 through the reheat steam line 44. The expansion steam ES of the low-pressure engine unit 40b is condensed in the water cover 46 to become hot water, and this hot water is circulated to the economizer 24 through the water supply pump P2, and thereafter the same cycle is repeated. A power generator 40 is connected to the power unit 40 to generate power. As the power unit 40, for example, a rotary fluid machine disclosed in Japanese Patent Application No. 2011-290720 (title of invention: rotary fluid machine) invented by the same inventor is used as a rotary steam engine. A steam turbine may be used.

水素リッチアンモニア生成リアクター２２はボイラ本体１２において適切な場所、例えば、煙道１２ｂに設置される。水素リッチアンモニア生成リアクター２２は、後述の如く、ボイラ本体１２で発生した燃焼ガスＣＧの熱エネルギーの一部を熱源として加熱され、尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともにアンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを発生させ、アンモニアと水素リッチガスからなる高温の水素リッチアンモニアを生成する。水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８は、水素リッチアンモニア供給ライン２１及び流量制御弁ＦＣＶ２を介して水素リッチアンモニア生成リアクター２２に接続される。  The hydrogen-rich ammonia production reactor 22 is installed in an appropriate place in the boiler body 12, for example, in the flue 12b. As will be described later, the hydrogen-rich ammonia production reactor 22 is heated by using a part of the thermal energy of the combustion gas CG generated in the boiler body 12 as a heat source to hydrolyze urea water to produce high-temperature ammonia and The part is converted into hydrogen and nitrogen to generate a high-temperature hydrogen-rich gas, and a high-temperature hydrogen-rich ammonia composed of ammonia and a hydrogen-rich gas is generated. The hydrogen rich ammonia combustion burner 18 is connected to the hydrogen rich ammonia production reactor 22 via the hydrogen rich ammonia supply line 21 and the flow rate control valve FCV2.

水素リッチアンモニア生成リアクター２２は、ボイラ本体１２において一次過熱器２８と再熱器３２との間の領域に設置される。この領域はボイラ本体１２を構成する火炉１２ａの出口付近であって、火炉１２ａの中央部の燃焼温度が約１２００〜１４００℃であるのに対して、出口付近の燃焼温度が約８００℃であるため、アンモニアの生成領域として選択される。しかしながら、水素リッチアンモニア生成リアクター２２の設置領域はこの領域に限定されず、尿素水に添加される加水分解触媒等の成分に応じて、アンモニアの生成領域を自由に定めても良い。  The hydrogen-rich ammonia production reactor 22 is installed in a region between the primary superheater 28 and the reheater 32 in the boiler body 12. This region is in the vicinity of the outlet of the furnace 12a constituting the boiler body 12, and the combustion temperature in the center of the furnace 12a is about 1200 to 1400 ° C, whereas the combustion temperature in the vicinity of the outlet is about 800 ° C. Therefore, it is selected as an ammonia production region. However, the installation region of the hydrogen-rich ammonia production reactor 22 is not limited to this region, and the ammonia production region may be freely determined according to components such as a hydrolysis catalyst added to the urea water.

空気供給配管１９は、熱交換器ＨＥで排ガスの排熱エネルギーを回収して燃焼用空気を２００〜３００℃に加熱する。熱交換器ＨＥにはブロワー２３から加圧した空気が燃焼用空気として供給される。  The air supply pipe 19 collects exhaust heat energy of the exhaust gas by the heat exchanger HE and heats the combustion air to 200 to 300 ° C. Pressurized air from the blower 23 is supplied to the heat exchanger HE as combustion air.

排ガス配管４９は、熱交換器ＨＥより上流側に位置して、選択還元型触媒を収納した脱硝装置３６が設けられていて水素リッチアンモニア生成リアクター２２で生成されたアンモニアの一部が還元用アンモニア供給ライン２１ａ及び流量制御弁ＦＣＶ４を介して供給される。  The exhaust gas pipe 49 is located upstream of the heat exchanger HE, and is provided with a denitration device 36 containing a selective reduction catalyst. A part of the ammonia generated in the hydrogen-rich ammonia generation reactor 22 is reduced ammonia. It is supplied via the supply line 21a and the flow rate control valve FCV4.

水素リッチアンモニア生成リアクター２２は、加水分解部５２と、アンモニア分解部５４と、加水分解部５２及びアンモニア分解部５４との間に配置されていて加水分解部５２の一部をアンモニア分解部５４に通過させるためのオリフィス（図示せず）等からなる流量制限部材５５とを備え、加水分解部５２及びアンモニア分解部５４は煙道１２ｂ内に配置されて燃焼ガスＣＧの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される。加水分解部５２及びアンモニア分解部５４は、それぞれ、燃焼ガスＣＧを通過させるための間隔ＳＰを有するコイル状のステンレスチューブＳＴ１，ＳＴ２からなり、これらステンレスチューブＳＴ１，ＳＴ２は伝熱部材として機能する。  The hydrogen-rich ammonia production reactor 22 is disposed between the hydrolysis unit 52, the ammonia decomposition unit 54, the hydrolysis unit 52, and the ammonia decomposition unit 54, and a part of the hydrolysis unit 52 is used as the ammonia decomposition unit 54. A flow restricting member 55 comprising an orifice (not shown) for passing through, and the hydrolyzing unit 52 and the ammonia decomposing unit 54 are disposed in the flue 12b, and a part of the thermal energy of the combustion gas CG is used as a heat source. As heated. The hydrolyzing unit 52 and the ammonia decomposing unit 54 are respectively made of coiled stainless steel tubes ST1 and ST2 having an interval SP for allowing the combustion gas CG to pass through. The stainless steel tubes ST1 and ST2 function as heat transfer members.

図２Ａに示すように、加水分解部５２は尿素水噴射ノズル５６に接続されたインレット５２ａと、アウトレット５２ｂとを有する。アウトレット５２ｂは、流量制限部材５５を介してアンモニア分解部５４に接続されるとともに、還元用アンモニア供給ライン２１ａ及び流量制御弁ＦＣＶ４を介して脱硝装置３６に接続されている。尿素水噴射ノズル５６は、加水分解部５２のインレット５２ａに対して噴霧状の尿素水を噴射するもので、逆止弁ＣＶ１、ポンプＰ３及び流量制御弁ＦＣＶ５を含む尿素水供給ライン５９を介して尿素水供給タンク６０に接続されている。尿素水供給タンク６０には、アンモニアの原料として、例えば、尿素水Ｕｓが貯蔵される。尿素水には、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｎａ２ＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＳｉＯ３及びＫ２ＳｉＯ３からなる群から選ばれる１種以上を主成分とする、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液が添加される。尿素水供給タンク６０には熱交換器６１が予熱器として配置されていて、覆水器４６で得られた温水と熱交換することにより、尿素水供給タンク６０の尿素水を、例えば、約５７℃以上の温度に予熱している。As shown in FIG. 2A, the hydrolysis unit 52 includes an inlet 52 a connected to the urea water injection nozzle 56 and an outlet 52 b. The outlet 52b is connected to the ammonia decomposing portion 54 via the flow restricting member 55, and is connected to the denitration device 36 via the reducing ammonia supply line 21a and the flow control valve FCV4. The urea water injection nozzle 56 injects the sprayed urea water to the inlet 52a of the hydrolysis unit 52, and via a urea water supply line 59 including a check valve CV1, a pump P3, and a flow rate control valve FCV5. The urea water supply tank 60 is connected. In the urea water supply tank 60, for example, urea water Us is stored as a raw material of ammonia. In the urea water, an alkali metal hydroxide having at least one selected from the group consisting of NaOH, KOH, Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Na 2 SiO 3 and K 2 SiO 3 as a main component, An alkali catalyst solution containing at least one selected from the group consisting of carbonates and silicates as a main component is added. A heat exchanger 61 is disposed as a preheater in the urea water supply tank 60, and the urea water in the urea water supply tank 60 is changed to, for example, about 57 ° C. by exchanging heat with the hot water obtained in the water cover 46. Preheated to the above temperature.

図２Ａに示されるように、加水分解部５２はステンレスチューブＳＴ１に充填されていて複数の乱流発生通路６２を形成する、２〜６ｍｍの直径のアルミナ等のセラミックボール又はステンレスボール等からなる複数の固形状伝熱体６４を備える。尿素水噴射ノズル５６から噴霧状に加水分解部５２の内部に噴射された尿素水Ｕｓは複数の固形状伝熱体６４に衝突して気化され、気化したガスは複数の乱流発生通路６２で生じた乱流により、混合攪拌されながら通過して、複数の固形状伝熱体６４の伝熱面に衝突する。その過程において、尿素水は前述の加水分解触媒の存在下で加水分解されてアンモニアＡｍが生成される。  As shown in FIG. 2A, the hydrolyzing unit 52 is formed of a plurality of ceramic balls such as alumina having a diameter of 2 to 6 mm or stainless balls filled in the stainless tube ST1 to form a plurality of turbulent flow generation passages 62. The solid heat transfer body 64 is provided. The urea water Us sprayed from the urea water spray nozzle 56 into the hydrolyzing unit 52 in a spray form collides with the plurality of solid heat transfer bodies 64 and is vaporized, and the vaporized gas passes through the plurality of turbulent flow generation passages 62. The generated turbulent flow passes while being mixed and stirred, and collides with the heat transfer surfaces of the plurality of solid heat transfer bodies 64. In the process, the urea water is hydrolyzed in the presence of the aforementioned hydrolysis catalyst to produce ammonia Am.

加水分解部５２で生成した高温のアンモニアＡｍの一部はアウトレット５２ｂから吐出した後、流量制限部材５５によってその流量が制限されながらアンモニア分解部５４に供給される。図２Ｂに示されるように、アンモニア分解部５４は、流量制限部材５５に連結されたインレット５４ａと、水素リッチアンモニア供給ライン２１に連結されたアウトレット５４ｂとを有する。伝熱部材としてのステンレスチューブＳＴ２にはペレット状のアンモニア分解触媒６６が充填される。アンモニア分解触媒６６としては、これに限定されるものではないが、例えば、イタリア国ＳＡＥＳ ＧＥＴＴＥＲＳ社製アンモニア分解触媒ＳＴ９０９（ＺｒＭｎＦｅ合金）、日揮触媒化成製のニッケル触媒Ｎ１３４，Ｎ１３５及びＮ１３５Ｌが使用される。アンモニア分解部５４のインレット５４ａに流入したアンモニアＡｍの一部はアンモニア分解触媒ペレット６６に対して衝突を繰り返しながら分解して窒素と水素から成る高温の水素リッチガスＨＲＧが生成される。高温の水素リッチガスＨＲＧは水素リッチガスアウトレット５４ｂから取り出され、加水分解部５２から供給された高温のアンモニアの残部と混合されて高温の水素リッチアンモニアＨＲＡが形成される。高温の水素リッチアンモニアは加温された燃焼用空気と混合して均一な混合気が形成され、完全燃焼されるため、外部に未燃アンモニアが排出されることが無い。  A part of the high-temperature ammonia Am generated in the hydrolysis section 52 is discharged from the outlet 52b, and then supplied to the ammonia decomposition section 54 while its flow rate is restricted by the flow restriction member 55. As shown in FIG. 2B, the ammonia decomposing unit 54 has an inlet 54 a connected to the flow rate restricting member 55 and an outlet 54 b connected to the hydrogen-rich ammonia supply line 21. A stainless steel tube ST2 as a heat transfer member is filled with a pellet-shaped ammonia decomposition catalyst 66. Examples of the ammonia decomposition catalyst 66 include, but are not limited to, ammonia decomposition catalyst ST909 (ZrMnFe alloy) manufactured by SAES GETTERS, Italy, and nickel catalysts N134, N135 and N135L manufactured by JGC Catalysts & Chemicals. . A part of the ammonia Am flowing into the inlet 54a of the ammonia decomposing portion 54 is decomposed while repeatedly colliding with the ammonia decomposing catalyst pellet 66, and a high-temperature hydrogen rich gas HRG composed of nitrogen and hydrogen is generated. The high-temperature hydrogen-rich gas HRG is taken out from the hydrogen-rich gas outlet 54b and mixed with the remainder of the high-temperature ammonia supplied from the hydrolysis unit 52 to form a high-temperature hydrogen-rich ammonia HRA. The high-temperature hydrogen-rich ammonia is mixed with the heated combustion air to form a uniform air-fuel mixture and completely burned, so that unburned ammonia is not discharged outside.

図１に戻って、第２過熱器３０には過熱蒸気供給ライン３７を介してパージガス供給ライン８０が接続され、パージガス供給ライン８０にパージガス供給制御弁ＦＣＶ６が設けられる。パージガス供給ライン８０は尿素水供給ライン５９を介して水素リッチアンモニア生成リアクター２２に接続される。発電プラント１０の運転停止時に、水素リッチアンモニア生成リアクター２２への尿素水の供給が遮断されると、パージガス供給制御弁ＦＣＶ６が開弁してパージガス供給ライン８０から過熱蒸気がパージガスとして尿素水供給ライン５９及び水素リッチアンモニア生成リアクター２２に導入される。この結果、尿素水供給ライン５９及び水素リッチアンモニア生成リアクター２２に残留する未反応尿素と残留ガスが水素リッチアンモニア供給ライン２１を経由して水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８から火炉１２ａ内に排出される。このとき、ポンプＰ１を起動して流量制御弁ＦＣＶ１を開弁して炭素質燃料Ｂｆを炭素質燃料燃焼バーナ１６に燃焼用空気と共に供給して燃焼させ、同時に、パージガスを火炉１２ａ内において燃焼させても良い。  Returning to FIG. 1, the purge gas supply line 80 is connected to the second superheater 30 via the superheated steam supply line 37, and the purge gas supply control valve FCV 6 is provided in the purge gas supply line 80. The purge gas supply line 80 is connected to the hydrogen rich ammonia production reactor 22 via the urea water supply line 59. If the supply of urea water to the hydrogen-rich ammonia production reactor 22 is shut off when the power plant 10 is shut down, the purge gas supply control valve FCV6 is opened, and the superheated steam is purged from the purge gas supply line 80 as the urea water supply line. 59 and a hydrogen rich ammonia production reactor 22. As a result, unreacted urea and residual gas remaining in the urea water supply line 59 and the hydrogen rich ammonia production reactor 22 are discharged from the hydrogen rich ammonia combustion burner 18 into the furnace 12 a via the hydrogen rich ammonia supply line 21. At this time, the pump P1 is started and the flow rate control valve FCV1 is opened to supply the carbonaceous fuel Bf to the carbonaceous fuel combustion burner 16 together with the combustion air for combustion. At the same time, the purge gas is combusted in the furnace 12a. May be.

水素リッチアンモニア生成リアクター２２の近辺温度を検出するための温度センサ９０が煙道１２ｂに設置され、火炉１２ａの上部温度を検出するための温度センサ９１が設置される。過熱蒸気供給ライン３７には過熱蒸気の圧力を検出するための圧力センサ９３が設置され、後流側伝熱部１２ｃの排ガス配管４９にはＮＯｘセンサ９４が設置される。動力装置４０の出力軸には、その回転数を検出する回転数検出センサ９５が設置される。回転数検出センサ９５からのセンサ信号に応じて動力装置４０に供給される蒸気の圧力が制御され、発電機５０の出力周波数が所定周波数（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）となるように制御される。これらセンサからの検出信号がパラメータ信号としてコントローラ９６に送られる。入力装置９８からは、発電プラント１０の始動・停止時間、尿素水供給用のポンプ起動・停止時間、バーナ１６に供給される炭素質燃料の流量制御弁ＦＣＶ１、アンモニアの流量制御弁ＦＣＶ２の供給開始・停止時間、パージガス供給制御弁ＦＣＶ６の供給開始・停止時間等の各種設定信号がコントローラ９６に入力される。コントローラ９６は、動力装置４０の出力軸の回転数を記憶したメモリ、各種制御パラメータを記憶したメモリ及び各種制御プログラムを備えていて、各センサから供給されたパラメータ信号と入力装置９８から入力された設定信号に応じて次世代カーボンフリー発電プラント１０の運転を制御する。  A temperature sensor 90 for detecting the temperature in the vicinity of the hydrogen-rich ammonia production reactor 22 is installed in the flue 12b, and a temperature sensor 91 for detecting the upper temperature of the furnace 12a is installed. A pressure sensor 93 for detecting the pressure of the superheated steam is installed in the superheated steam supply line 37, and a NOx sensor 94 is installed in the exhaust gas piping 49 of the downstream heat transfer section 12c. A rotational speed detection sensor 95 that detects the rotational speed is installed on the output shaft of the power unit 40. The pressure of the steam supplied to the power unit 40 is controlled according to the sensor signal from the rotation speed detection sensor 95, and the output frequency of the generator 50 is controlled to be a predetermined frequency (for example, 50 Hz or 60 Hz). Detection signals from these sensors are sent to the controller 96 as parameter signals. From the input device 98, the start / stop time of the power plant 10, the start / stop time of the pump for supplying urea water, the flow control valve FCV1 of the carbonaceous fuel supplied to the burner 16, and the supply of the ammonia flow control valve FCV2 are started. Various setting signals such as stop time and supply start / stop time of the purge gas supply control valve FCV6 are input to the controller 96. The controller 96 includes a memory that stores the number of rotations of the output shaft of the power unit 40, a memory that stores various control parameters, and various control programs. The parameter signal supplied from each sensor and the input device 98 are input. The operation of the next-generation carbon-free power plant 10 is controlled according to the setting signal.

以上の構成の次世代カーボンフリー発電プラント１０において、起動時にコントローラ９６からの始動信号が出力されると、炭素質燃料供給ポンプＰ１とブロワー２３及びボイラ水供給ポンプＰＰ２が起動され、同時に、着火装置（図示せず）が導通される。すると、炭素質燃料燃焼バーナ１６によって炭素質燃料と燃焼用空気との混合気が着火され、火炉１２ａ内には火炎による燃焼ガスＣＧが発生する。この燃焼ガスＣＧは火炉１２ａの上方に移動した後、煙道１２ｂ及び後流側伝熱部１２ｃを通過しながら第２過熱器３０、再熱器３２、水素リッチアンモニア生成リアクター２２、第１過熱器２８、蒸発器２６及び節炭器２４を加熱する。加熱した後の排ガスは排ガスライン４９を通過して脱硝装置３６及び熱交換器ＨＥを経由して大気に排出される。  In the next-generation carbon-free power plant 10 having the above configuration, when a start signal is output from the controller 96 at the time of start-up, the carbonaceous fuel supply pump P1, the blower 23, and the boiler water supply pump PP2 are started, and at the same time, an ignition device. (Not shown) is conducted. Then, the mixture of carbonaceous fuel and combustion air is ignited by the carbonaceous fuel combustion burner 16, and combustion gas CG due to flame is generated in the furnace 12a. After the combustion gas CG moves above the furnace 12a, the second superheater 30, the reheater 32, the hydrogen-rich ammonia production reactor 22, the first superheater are passed through the flue 12b and the downstream heat transfer section 12c. The vessel 28, the evaporator 26 and the economizer 24 are heated. The heated exhaust gas passes through the exhaust gas line 49 and is discharged to the atmosphere via the denitration device 36 and the heat exchanger HE.

温度センサ９０からの温度信号が水素リッチアンモニア生成リアクター２２の作動可能温度、例えば、８００℃に相当する温度に達した後、所定時間、例えば、３０秒経過した時に、コントローラ９６から水素リッチアンモニア生成リアクター２２の作動開始のための指令信号が出力される。これら指令信号に応答して、ポンプＰ３が起動され、尿素水供給タンク６１から尿素水が逆止弁６０を経て供給され、噴射ノズル５６から加水分解部５２のインレット５２ａの上流側端部に噴霧状に噴射される。図２Ａより明らかなように、噴霧状の尿素水はコイル状ステンレスチューブＳＴ１内部において複数の伝熱体６４と衝突・加熱されてガスとなり、このガスは乱流発生通路６２を通過しながら乱流を発生し、順次、複数の伝熱体６４と衝突・加熱を繰り返しながら下流側に進行して加水分解されてアンモニアＡｍとなる。アンモニアの一部は流量制限部材５５によって流量が制限されながらアンモニア分解部５４に導入される。  After the temperature signal from the temperature sensor 90 reaches the operable temperature of the hydrogen-rich ammonia production reactor 22, for example, a temperature corresponding to 800 ° C., the controller 96 generates hydrogen-rich ammonia when a predetermined time, for example, 30 seconds elapses. A command signal for starting the operation of the reactor 22 is output. In response to these command signals, the pump P3 is activated, urea water is supplied from the urea water supply tank 61 via the check valve 60, and sprayed from the injection nozzle 56 to the upstream end of the inlet 52a of the hydrolysis unit 52. Is injected into the shape. As is clear from FIG. 2A, the atomized urea water collides and heats with the plurality of heat transfer bodies 64 inside the coiled stainless steel tube ST1 and becomes a gas. In turn, the mixture proceeds to the downstream side while repeatedly colliding and heating with the plurality of heat transfer bodies 64 and is hydrolyzed to become ammonia Am. Part of the ammonia is introduced into the ammonia decomposition section 54 while the flow rate is restricted by the flow restriction member 55.

図２Ｂにおいて、アンモニア分解部５４に導入されたアンモニアの一部はコイル状ステンレスチューブＳＴ２の内部に充填されたアンモニア分解ペレット６６に接触して分解され、窒素と水素に転化されて窒素リッチガスＨＲＧとなる。窒素リッチガスＨＲＧはアウトレット５４ｂから流出してアンモニアＡｍと混合されて水素リッチアンモニアＨＲＡとなる。この水素リッチアンモニアＨＲＡは水素リッチアンモニア供給ライン２１を経由して水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８に供給される。  In FIG. 2B, a part of the ammonia introduced into the ammonia decomposing section 54 is decomposed by contacting with the ammonia decomposing pellet 66 filled in the coiled stainless steel tube ST2, converted into nitrogen and hydrogen, and the nitrogen rich gas HRG. Become. The nitrogen rich gas HRG flows out from the outlet 54b and is mixed with ammonia Am to become hydrogen rich ammonia HRA. The hydrogen rich ammonia HRA is supplied to the hydrogen rich ammonia combustion burner 18 via the hydrogen rich ammonia supply line 21.

このように、次世代カーボンフリー発電プラント１０の起動時には、コントローラ９６からの起動指令信号に応答して、運転初期には炭素質燃料燃焼バーナ１６が作動し、次いで、水素立地アンモニア生成待機モードが経過した時点で、水素リッチアンモニア生成リアクター２２から供給された水素リッチアンモニアと燃焼用空気が水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８で燃焼する。  Thus, when the next-generation carbon-free power plant 10 is started, in response to the start command signal from the controller 96, the carbonaceous fuel combustion burner 16 is operated in the initial operation, and then the hydrogen site ammonia generation standby mode is set. When the time has elapsed, the hydrogen-rich ammonia and the combustion air supplied from the hydrogen-rich ammonia production reactor 22 are combusted by the hydrogen-rich ammonia combustion burner 18.

水素リッチアンモニアの燃焼による燃焼ガスＣＧによってボイラ本体１２が加熱され、第２過熱器３０の過熱蒸気が所定圧力に達すると、圧力センサ９３からの圧力信号に応答してコントローラ９６から動力部作動開始指令信号が出力される。この動力部作動開始指令信号に応答して、流量制御弁ＦＣＶ３が開弁され、高圧の過熱蒸気（以下、「高圧蒸気」と称する）が動力装置４０の高圧エンジン部４０ａに供給され、高圧エンジン部４０ａが作動する。高圧エンジン部４０ａの膨張蒸気は膨張蒸気供給ライン４２を介して再熱器３２に供給され、再熱器３２で膨張蒸気が昇圧されて低圧蒸気となり、この低圧蒸気は低圧エンジン部４０ｂで膨張する。このように、動力装置４０は水素リッチアンモニアを新しいエネルギー源としてボイラ本体１２で発生した高圧蒸気及び低圧蒸気に応答して動力を発生し、発電機５０を駆動して発電させる。  When the boiler main body 12 is heated by the combustion gas CG generated by the combustion of hydrogen-rich ammonia and the superheated steam of the second superheater 30 reaches a predetermined pressure, the power unit operation starts from the controller 96 in response to the pressure signal from the pressure sensor 93. A command signal is output. In response to the power unit operation start command signal, the flow control valve FCV3 is opened, and high-pressure superheated steam (hereinafter referred to as “high-pressure steam”) is supplied to the high-pressure engine unit 40a of the power unit 40, and the high-pressure engine. Part 40a is activated. The expansion steam of the high-pressure engine section 40a is supplied to the reheater 32 via the expansion steam supply line 42, and the expansion steam is pressurized to become low-pressure steam by the reheater 32, and this low-pressure steam expands in the low-pressure engine section 40b. . Thus, the power unit 40 generates power in response to the high-pressure steam and low-pressure steam generated in the boiler body 12 using hydrogen-rich ammonia as a new energy source, and drives the generator 50 to generate power.

次世代カーボンフリー発電プラント１０の運転中において、排ガスのＮＯｘ値が所定置を超えたときは、ＮＯｘセンサ９４から出力された検出信号に応答して、コントローラ９６からＮＯｘ還元指令信号が出力される。ＮＯｘ還元指令信号に応答して、アンモニア開閉弁ＦＣＶ４が開弁する。このとき、アンモニアＡｍの一部が還元用アンモニア供給ライン２１ａを介して脱硝装置３６に供給されて排ガス中に噴射され、内蔵された脱硝触媒上でアンモニアがＮＯｘを還元して無害化する。  During operation of the next-generation carbon-free power plant 10, when the NOx value of the exhaust gas exceeds a predetermined value, a NOx reduction command signal is output from the controller 96 in response to the detection signal output from the NOx sensor 94. . In response to the NOx reduction command signal, the ammonia on-off valve FCV4 opens. At this time, a part of the ammonia Am is supplied to the denitration device 36 through the reducing ammonia supply line 21a and injected into the exhaust gas, and ammonia reduces NOx and renders it harmless on the built-in denitration catalyst.

次世代カーボンフリー発電プラント１０の停止時には、コントローラ９６からボイラ停止信号が出力される。ボイラ停止信号が出力されると、炭素質燃料供給ポンプＰ１が停止される。このとき、コントローラ９６からパージ指令信号が出力され、パージガス供給制御弁ＦＣＶ６が開弁する。この時、パージガス供給ライン８０を介して過熱蒸気がパージガスとしてパージガス供給ライン５９と水素リッチアンモニア生成リアクター２２内に導入され、未反応尿素及びアンモニア並びに水素リッチガス等の残留ガスがパージされ、パージガスは水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８から火炉１２ａに排出される。このとき、炭素質燃料タンク２０から炭素質燃料が流量制御弁ＦＣＶ１を介して炭素質燃料燃焼バーナ１６に供給され、カロ１２ａ内においてパージガスと共に燃焼される。  When the next-generation carbon-free power plant 10 is stopped, a boiler stop signal is output from the controller 96. When the boiler stop signal is output, the carbonaceous fuel supply pump P1 is stopped. At this time, a purge command signal is output from the controller 96, and the purge gas supply control valve FCV6 is opened. At this time, superheated steam is introduced as purge gas into the purge gas supply line 59 and the hydrogen-rich ammonia production reactor 22 via the purge gas supply line 80, and residual gases such as unreacted urea and ammonia and hydrogen-rich gas are purged. The rich ammonia combustion burner 18 is discharged to the furnace 12a. At this time, carbonaceous fuel is supplied from the carbonaceous fuel tank 20 to the carbonaceous fuel combustion burner 16 via the flow rate control valve FCV1, and burned together with the purge gas in the calo 12a.

次に、本発明の第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラント１０Ａについて図３及び図４を参照しながら説明する。第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラント１０Ａについて、第１実施例と同一若しくは類似の構成部品については同一符号を用いる。  Next, a next-generation carbon-free power plant 10A according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Regarding the next-generation carbon-free power plant 10A according to the second embodiment, the same reference numerals are used for the same or similar components as those in the first embodiment.

第２実施例の次世代カーボンフリー発電プラント１０Ａは、一次過熱器が複数の過熱器２８Ａ、２８Ｂ，２８Ｃからなり、さらに、水素リッチアンモニア生成リアクター２２Ａが電気式水素リッチアンモニア生成リアクターからなる点において、第１実施例の次世代カーボンフリー発電プラント１０とは異なる。従って、この差異に焦点を当てて、第２実施例による次世代カーボンフリー発電プラント１０Ａについて以下、説明する。  In the next-generation carbon-free power plant 10A of the second embodiment, the primary superheater includes a plurality of superheaters 28A, 28B, and 28C, and the hydrogen-rich ammonia generation reactor 22A includes an electric hydrogen-rich ammonia generation reactor. This is different from the next-generation carbon-free power plant 10 of the first embodiment. Therefore, focusing on this difference, the next-generation carbon-free power plant 10A according to the second embodiment will be described below.

図５、図６において、水素リッチアンモニア生成リアクター２２Ａは、円筒型ケーシング１００と、尿素水噴射ノズル５６から噴射された噴霧状の尿素水を導入する尿素水吸入ポート１０２と、尿素水を加水分解してアンモニアを生成する円弧状加水分解部１０４と、円弧状加水分解部１０４で生成したアンモニアの一部を分解して水素と窒素からなる水素リッチガスを生成するアンモニア分解部１０６と、アンモニアの残部を取り出して水素リッチアンモニア供給ライン２１に供給するアンモニア抽出ポート１０８と、加水分解部１０４の後流側においてアンモニア抽出ポートに隣接して配置された複数のオリフィスからなっていてアンモニア分解部１０６に流入するアンモニアの流量を制限する流量制限部材１１０と、アンモニア分解部１０６から水素リッチガスＨＲＧを水素リッチアンモニア供給ライン２１に供給する水素リッチガス抽出ポート１１２と、加水分解部１０４から外部に抽出するアンモニアの流量を制限する流量制限部材１１２とを備える。  5 and 6, the hydrogen-rich ammonia production reactor 22A includes a cylindrical casing 100, a urea water intake port 102 for introducing the sprayed urea water injected from the urea water injection nozzle 56, and hydrolyzing the urea water. Arc-shaped hydrolyzing unit 104 for generating ammonia, ammonia decomposing unit 106 for decomposing part of the ammonia generated by arc-shaped hydrolyzing unit 104 to generate a hydrogen-rich gas composed of hydrogen and nitrogen, and the remaining ammonia And is supplied to the hydrogen-rich ammonia supply line 21 and a plurality of orifices arranged adjacent to the ammonia extraction port on the downstream side of the hydrolysis unit 104 and flows into the ammonia decomposition unit 106 Flow restriction member 110 for restricting the flow rate of ammonia to be discharged, and ammonia decomposition section It comprises a hydrogen-rich gas HRG hydrogen rich gas extraction port 112 for supplying the hydrogen-rich ammonia supply line 21 from 06, and a flow restricting member 112 for restricting the flow rate of ammonia to be extracted from the hydrolysis unit 104 to the outside.

加水分解部１０４は、ケーシング１００の内側とケーシング１００の中央内周部１１４の径方向外側に形成された絶縁耐熱層１１６と、絶縁耐熱層１１６の内側に形成されたアークプラズマ発生室１１８を備える。尿素水吸入ポート１０２は径方向壁部１２０に延びていて、径方向壁部１２０に周方向に延びる複数の開口部１２２を備える。アークプラズマ発生室１１８のコーナー部１１８ａ、１１８ｂには一対のアーク電極１２４，１２６がそれぞれ配置される。一対のアーク電極１２４，１２６はプラズマアーク電源１３０に接続される。プラズマアーク電源１３０には発電機５０で発生した出力電力の一部が供給される。プラズマアーク電源１３０は、例えば、日本国特許第２５８２９５６号に開示されたような回路構成やその他の公知の回路が用いられる。プラズマアーク電源１３０は、コントローラ９６から出力されたパルス周期指令（タイミング）信号に応じて予め定められた周期のパルス電圧を生成して一対のアーク電極１２４，１２６に供給する。パルス電圧の周期はプラズマアーク室１１８の温度が、尿素水の分解温度に適した温度、例えば、７５０℃〜８５０℃の範囲になるように制御される。そのため、ケーシング１００には温度センサ１３２が装着され、温度信号Ｔがコントローラ９６に供給され、パルス電圧の周期の制御用に利用される。アークプラズマ発生室１１８には、一対のアーク電極１２４，１２６と接触するように多数の発熱球体１３４が充填され、これら発熱球体１３４の隙間には尿素水を通過させるための多数の乱流発生経路１３６が形成される。発熱球体１３４としては、直径２．５ｍｍ〜５０ｍｍのタングステンボール、或いは、カーボンボールが使用される。アンモニア分解部１０６には、アークプラズマ発生室１１８に隣接して形成された円弧状反応室１３８と、円弧状反応室１３８に充填されたアンモニア分解触６６を備える。アンモニア分解触媒６６としては、前述の第１実施例で使用されたものと同一のアンモニア分解触媒ペレットが用いられる。流量制限部材１１０を介してアンモニア分解部１０６にアンモニアの一部が導入されると、アンモニアがアンモニア分解触媒６６に接触して水素と窒素とに転化されて水素リッチガスＨＲＧとなる。水素リッチガス抽出ポート１４０の上流側にはフイルタ１４２が配置されている。  The hydrolysis unit 104 includes an insulating heat-resistant layer 116 formed on the inner side of the casing 100 and on the radially outer side of the central inner peripheral portion 114 of the casing 100, and an arc plasma generation chamber 118 formed on the inner side of the insulating heat-resistant layer 116. . The urea water suction port 102 extends to the radial wall 120 and includes a plurality of openings 122 extending in the circumferential direction on the radial wall 120. A pair of arc electrodes 124 and 126 are arranged at corner portions 118a and 118b of the arc plasma generation chamber 118, respectively. The pair of arc electrodes 124 and 126 are connected to the plasma arc power source 130. A part of the output power generated by the generator 50 is supplied to the plasma arc power source 130. For the plasma arc power source 130, for example, a circuit configuration as disclosed in Japanese Patent No. 2558256 or other known circuits is used. The plasma arc power supply 130 generates a pulse voltage having a predetermined period in accordance with a pulse period command (timing) signal output from the controller 96 and supplies the pulse voltage to the pair of arc electrodes 124 and 126. The period of the pulse voltage is controlled so that the temperature of the plasma arc chamber 118 is in a temperature suitable for the decomposition temperature of the urea water, for example, in the range of 750 ° C. to 850 ° C. Therefore, the temperature sensor 132 is attached to the casing 100, and the temperature signal T is supplied to the controller 96, which is used for controlling the cycle of the pulse voltage. The arc plasma generation chamber 118 is filled with a large number of heat generating spheres 134 so as to be in contact with the pair of arc electrodes 124 and 126, and a plurality of turbulent flow generation paths for allowing urea water to pass through the gaps between the heat generating spheres 134. 136 is formed. As the heating sphere 134, a tungsten ball or a carbon ball having a diameter of 2.5 mm to 50 mm is used. The ammonia decomposition unit 106 includes an arc-shaped reaction chamber 138 formed adjacent to the arc plasma generation chamber 118 and an ammonia decomposition touch 66 filled in the arc-shaped reaction chamber 138. As the ammonia decomposition catalyst 66, the same ammonia decomposition catalyst pellets as those used in the first embodiment are used. When a part of ammonia is introduced into the ammonia decomposition part 106 via the flow restricting member 110, the ammonia comes into contact with the ammonia decomposition catalyst 66 and is converted into hydrogen and nitrogen to become a hydrogen rich gas HRG. A filter 142 is disposed on the upstream side of the hydrogen rich gas extraction port 140.

図３及び図４に示された第２実施例において、プラズマアーク電源１３０から所定周期のパルス電圧が水素リッチアンモニア生成リアクター２２Ａに供給されると、多数の発熱球体１３４との間でプラズマアークが発生する。この時、尿素水が多数の発熱球体１３４と接触して瞬時に尿素水の蒸気が生成され、プラズマアークの存在下でアンモニアが生成される。アンモニアの一部は流量制限部材１１０によって流量が制限されながら、アンモニア分解部１０６に流入する。アンモニアはアンモニア分解触媒６６に接触して水素と窒素とに転化されて水素リッチガスＨＲＧとなる。窒素リッチガスＨＲＧはアンモニアＡｍと混合されて水素リッチアンモニアＨＲＡとなる。この水素リッチアンモニアＨＲＡは水素リッチアンモニア供給ライン２１を経由して水素リッチアンモニア燃焼バーナ１８に供給される。  In the second embodiment shown in FIGS. 3 and 4, when a pulse voltage having a predetermined period is supplied from the plasma arc power source 130 to the hydrogen-rich ammonia generation reactor 22 </ b> A, a plasma arc is generated between the many exothermic spheres 134. Occur. At this time, urea water comes into contact with a large number of exothermic spheres 134 to instantaneously generate urea water vapor, and ammonia is generated in the presence of a plasma arc. A part of the ammonia flows into the ammonia decomposition unit 106 while the flow rate is restricted by the flow restriction member 110. Ammonia contacts the ammonia decomposition catalyst 66 and is converted into hydrogen and nitrogen to become a hydrogen rich gas HRG. The nitrogen rich gas HRG is mixed with ammonia Am to become hydrogen rich ammonia HRA. The hydrogen rich ammonia HRA is supplied to the hydrogen rich ammonia combustion burner 18 via the hydrogen rich ammonia supply line 21.

上述の第１及び第２実施例において、ボイラ本体は炭素質燃料燃焼バーナと水素リッチアンモニア燃焼バーナとを併設したものとして記載されたが、炭素質燃料燃焼バーナをパイロット燃焼バーナとして利用して発電プラントの始動時にのみ運転し、始動完了後は、水素リッチアンモニア燃焼バーナのみで発電プラントを運転させても良い。また、発電プラントの全運転期間中において、炭素質燃料燃焼バーナと水素リッチアンモニア燃焼バーナとを併用しても良い。  In the first and second embodiments described above, the boiler body has been described as having a carbonaceous fuel combustion burner and a hydrogen-rich ammonia combustion burner. However, power generation is performed using the carbonaceous fuel combustion burner as a pilot combustion burner. The power plant may be operated only at the start of the plant, and after the start is completed, the power plant may be operated only by the hydrogen rich ammonia combustion burner. Further, a carbonaceous fuel combustion burner and a hydrogen rich ammonia combustion burner may be used in combination during the entire operation period of the power plant.

１２ ボイラ本体；１４ 燃焼装置；１６ 炭素質燃料燃焼バーナ；１８ 水素リッチアンモニア燃焼バーナ；２０ 炭素質燃料タンク；２２，２２Ａ 水素リッチアンモニア生成リアクター；２４ 節炭器；２６ 蒸発器；２８ 一次過熱器；３０ 二次過熱器；３２ 再熱器；３６ 脱硝装置；４０ 動力装置；５０ 発電機；６０ 尿素水供給タンク；６６ アンモニア分解触媒；９６ コントローラ；９８ 入力装置；１００ ケーシング；１１０ 流量制限部材；１１８ アークプラズマ発生室；１２４，１２６ アーク電極；１３０ プラズマアーク電源；１３４ 発熱球体12 boiler body; 14 combustion device; 16 carbonaceous fuel combustion burner; 18 hydrogen rich ammonia combustion burner; 20 carbonaceous fuel tank; 22, 22A hydrogen rich ammonia production reactor; 24 economizer; 26 evaporator; 28 primary superheater , 30 secondary superheater, 32 reheater, 36 denitration device, 40 power unit, 50 generator, 60 urea water supply tank, 66 ammonia decomposition catalyst, 96 controller, 98 input device, 100 casing, 110 flow restriction member; 118 arc plasma generation chamber; 124, 126 arc electrode; 130 plasma arc power source; 134 heat generating sphere

Claims (7)

ボイラ本体と、前記ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させて前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記ボイラ本体に隣接して配置されていて前記尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともに前記アンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクターと、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記水素リッチアンモニアとして前記高温の水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ラインと、前記高圧蒸気により駆動される動力装置と、前記動力装置により駆動されて発電を行う発電機とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、前記ボイラ本体内に収納されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される第１及び第２伝熱部材と、前記第１伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温のアンモニアを生成する加水分解部と、前記第２伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解触媒を備えたアンモニア分解部とを備えることを特徴とする次世代カーボンフリー発電プラント。A boiler body, a hydrogen-rich ammonia combustion burner that is attached to the boiler body and burns combustion air and high-temperature hydrogen-rich ammonia to generate high-pressure steam in the boiler body, and urea water supply that supplies urea water A hot water-rich gas by converting a part of the ammonia into hydrogen and nitrogen and hydrolyzing the urea water to form a high temperature ammonia. A hydrogen-rich ammonia production reactor, a hydrogen-rich ammonia supply line for supplying a mixed gas of the remainder of the high-temperature ammonia and the high-temperature hydrogen-rich gas to the high-temperature hydrogen-rich ammonia combustion burner as the hydrogen-rich ammonia, and the high-pressure steam And a power unit driven by the power unit to generate power. And a machine, the hydrogen-rich ammonia production reactor, the first and second heat transfer member which is heated part of the heat energy of the combustion gas is accommodated in the boiler body as a heat source, the first A hydrolysis unit that is disposed in the heat transfer member and hydrolyzes the urea water in the presence of thermal energy of the combustion gas to generate the high-temperature ammonia; and is disposed in the second heat transfer member and Next generation carbon free power plant, characterized in Rukoto a ammonia decomposition unit for decomposing a portion of the ammonia in the presence with ammonia decomposition catalyst to produce said hot hydrogen-rich gas thermal energy of the combustion gas . 前記ボイラ本体に装着されていて前記燃焼用空気と炭素質燃料とを燃焼させて前記高圧蒸気を発生させる炭素質燃料燃焼バーナと、前記炭素質燃料燃焼バーナに炭素質燃料を供給する炭素質燃料供給タンクと、前記炭素質燃料燃焼バーナへの前記炭素質燃料の供給流量を制御する流量制御とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の次世代カーボンフリー発電プラント。  A carbonaceous fuel combustion burner attached to the boiler body for burning the combustion air and carbonaceous fuel to generate the high-pressure steam; and a carbonaceous fuel for supplying the carbonaceous fuel combustion burner with the carbonaceous fuel The next generation carbon-free power plant according to claim 1, further comprising a supply tank and a flow rate control for controlling a supply flow rate of the carbonaceous fuel to the carbonaceous fuel combustion burner. 前記ボイラ本体と前記尿素水供給ラインとの間に接続されたパージガス供給ラインと、前記パージガス供給ラインに設置されたパージガス供給制御弁とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターへの前記尿素水の供給が遮断されたときに前記パージガス供給制御弁が前記高圧蒸気の一部をパージガスとして前記尿素水供給ライン、前記水素リッチアンモニア生成リアクター、前記水素リッチアンモニア供給ライン及び前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに導入して未反応尿素及び残留ガスを排出することを特徴とする請求項１又は２記載の次世代カーボンフリー発電プラント。A purge gas supply line connected between the boiler body and the urea water supply line; and a purge gas supply control valve installed in the purge gas supply line, the supply of the urea water to the hydrogen-rich ammonia generation reactor When the engine is shut off, the purge gas supply control valve introduces a part of the high-pressure steam into the urea water supply line, the hydrogen rich ammonia generation reactor, the hydrogen rich ammonia supply line, and the hydrogen rich ammonia combustion burner as a purge gas. The next-generation carbon-free power plant according to claim 1 or 2, wherein unreacted urea and residual gas are discharged. 前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、ケーシングと、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水供給源から供給された前記尿素水を導入する尿素水吸入ポートと、前記尿素水を加水分解して前記アンモニアを生成する加水分解部と、前記加水分解部の後流側に配置されていて前記アンモニアの残部を取り出して前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給するアンモニア抽出ポートと、前記アンモニア抽出ポートに隣接して配置されていて前記アンモニアの流量を制限する流量制限部材と、前記流量制限部材を介して前記加水分解部に連通していて前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解部と、前記アンモニア分解部から延びていて前記水素リッチガスを前記水素リッチアンモニア供給ラインに供給する水素リッチガス抽出ポートとを備えることを特徴とする請求項１記載の次世代カーボンフリー発電プラント。  The hydrogen-rich ammonia production reactor includes a casing, a urea water intake port that is formed in the casing and introduces the urea water supplied from the urea water supply source, and hydrolyzes the urea water to convert the ammonia. A hydrolyzing unit to be generated, an ammonia extraction port disposed on the downstream side of the hydrolyzing unit to take out the remaining ammonia and supply it to the hydrogen-rich ammonia supply line, and is disposed adjacent to the ammonia extraction port A flow rate limiting member that limits the flow rate of the ammonia, and ammonia decomposition that is in communication with the hydrolysis unit via the flow rate limiting member and decomposes part of the ammonia to generate the high-temperature hydrogen-rich gas Extending from the ammonia decomposition section, and supplying the hydrogen-rich gas to the hydrogen-rich ammonia feed. Next Generation Carbon Free power plant according to claim 1, characterized in that it comprises a hydrogen rich gas extraction port for supplying the line. ボイラ本体と、前記ボイラ本体に装着されていて燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させて前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記ボイラ本体に隣接して配置されていて前記尿素水を加水分解して高温のアンモニアを生成するとともに前記アンモニアの一部を水素と窒素とに転化して高温の水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクターと、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記水素リッチアンモニアとして前記高温の水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ラインと、前記高圧蒸気により駆動される動力装置と、前記動力装置により駆動されて発電を行う発電機とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクターが、前記ケーシングに形成されていて前記尿素水吸入ポートに連通するアークプラズマ発生室と、前記アークプラズマ発生室に配置されていてアーク電源から予め定められた周期のパルス電圧が供給される一対のアーク電極と、前記一対のアーク電極に接触して前記アークプラズマ発生室に充填された多数の発熱球体と、前記発熱球体の隙間に形成されていて前記尿素水を通過させる多数の乱流発生経路とを備え、前記アンモニア分解部が前記アークプラズマ発生室に隣接して形成されていてアンモニア分解触媒を収納したアンモニア分解室を備え、前記尿素水が前記乱流発生経路を通過しながら前記多数の発熱球体と接触して加熱されることで前記アンモニアに転化されることを特徴とする次世代カーボンフリー発電プラント。 A boiler body, a hydrogen-rich ammonia combustion burner that is attached to the boiler body and burns combustion air and high-temperature hydrogen-rich ammonia to generate high-pressure steam in the boiler body, and urea water supply that supplies urea water A hot water-rich gas by converting a part of the ammonia into hydrogen and nitrogen and hydrolyzing the urea water to form a high temperature ammonia. A hydrogen-rich ammonia production reactor, a hydrogen-rich ammonia supply line for supplying a mixed gas of the remainder of the high-temperature ammonia and the high-temperature hydrogen-rich gas to the high-temperature hydrogen-rich ammonia combustion burner as the hydrogen-rich ammonia, and the high-pressure steam And a power unit driven by the power unit to generate power. And a machine, the hydrogen-rich ammonia production reactor, an arc plasma generating chamber communicating with the urea water suction port is formed in said casing, predetermined from the arc power source is disposed in the arc plasma generation chamber A pair of arc electrodes to which a pulse voltage of a predetermined period is supplied, a large number of heating spheres in contact with the pair of arc electrodes and filled in the arc plasma generation chamber, and formed in gaps between the heating spheres, A plurality of turbulent flow generation paths through which urea water passes, and the ammonia decomposition section includes an ammonia decomposition chamber formed adjacent to the arc plasma generation chamber and containing an ammonia decomposition catalyst. It is converted into ammonia by being heated in contact with the numerous exothermic spheres while passing through a turbulent flow generation path. Next-generation carbon-free power generation plant to be. 高温の水素リッチアンモニアと燃焼用空気との燃焼により燃焼ガスを発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体に設置し、前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに水素リッチアンモニア生成リアクターを接続し、前記水素リッチアンモニア生成リアクターに前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される第１及び第２伝熱部材と、前記第１伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温のアンモニアを生成する加水分解部と、前記第２伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して前記高温の水素リッチガスを生成するアンモニア分解触媒を備えたアンモニア分解部とを設け、前記水素リッチアンモニア生成リアクターの前記第１伝熱部材に尿素水を供給して高温のアンモニアを発生させ、前記高温のアンモニアの一部をさらに前記第２伝熱部材で窒素と水素に転化して高温の水素リッチガスを発生させ、前記高温のアンモニアの残部と前記高温の水素リッチガスとの混合ガスを前記高温の水素リッチアンモニアとして前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給して得た燃焼ガスの熱エネルギーを利用して前記ボイラ本体で高圧蒸気を発生させ、前記高圧蒸気により動力装置を作動させて発電機により発電させることを特徴とする次世代カーボンフリー発電方法。A hydrogen rich ammonia combustion burner that generates combustion gas by combustion of high temperature hydrogen rich ammonia and combustion air is installed in the boiler body, and a hydrogen rich ammonia generation reactor is connected to the hydrogen rich ammonia combustion burner, and the hydrogen rich ammonia First and second heat transfer members that are heated in the production reactor using a part of the heat energy of the combustion gas as a heat source, and disposed in the first heat transfer member and in the presence of the heat energy of the combustion gas A hydrolysis unit that hydrolyzes urea water to generate the high-temperature ammonia; and a part of the ammonia that is disposed in the second heat transfer member and decomposes in the presence of thermal energy of the combustion gas, provided the ammonia decomposition unit having ammonia decomposition catalyst to produce hot hydrogen-rich gas, the hydrogen-rich ammonia By supplying urea water to the first heat transfer member formed reactor to generate hot ammonia, the conversion to the hot hydrogen-rich gas to nitrogen and hydrogen in addition the second heat transfer member a portion of the hot ammonia Using the thermal energy of the combustion gas obtained by supplying a mixed gas of the remainder of the high temperature ammonia and the high temperature hydrogen rich gas as the high temperature hydrogen rich ammonia to the hydrogen rich ammonia combustion burner. A next-generation carbon-free power generation method, characterized in that high-pressure steam is generated in a boiler body, a power unit is operated by the high-pressure steam, and power is generated by a generator. 請求項１〜４及び５のいずれかに記載の次世代カーボンフリー発電プラント並びに請求項６記載の次世代カーボンフリー発電方法に利用される尿素水であって、前記尿素水が、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液と、尿素と、水からなり、前記尿素水が前記ボイラ本体の排熱回収エネルギーで予熱されることを特徴とする尿素水。It is urea water utilized for the next generation carbon free power generation plant in any one of Claims 1-4 and 5 and the next generation carbon free power generation method of Claim 6 , Comprising: The said urea water is water of alkali metal. An alkaline catalyst solution mainly composed of one or more selected from the group consisting of oxides, carbonates and silicates, urea and water, and the urea water is preheated by the exhaust heat recovery energy of the boiler body. Urea water characterized by that.
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