JP5495749B2 - 水素製造設備および発電プラント - Google Patents

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Description

本発明は、石炭、天然ガス、油等を利用した上流設備からのガス中に含まれる一酸化炭素を水素に変換する水素製造設備および発電プラントに関するものである。
例えば、ＣＯ２回収型のＩＧＣＣ（Integrated Gasification Combined Cycle）では、ガス化炉においてガス化された石炭ガスが水素製造設備に送られる。この水素製造設備では、石炭ガスと水蒸気とが触媒下で反応させられ、石炭ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、水素リッチの石炭ガスが生成される。シフト反応後の石炭ガスは、脱硫設備において脱硫された後、二酸化炭素回収設備に送られることにより、ガス中の二酸化炭素が回収され、水素リッチとなった精製ガスが複合発電設備へ送られる。複合発電設備では、例えば、精製ガスがガスタービンの燃焼器へ送られ、ガスタービンを駆動するための原動力として用いられ、また、ガスタービンの排熱と熱交換されて温められた蒸気により蒸気タービンが駆動される。
特表平９−５０２６９４号公報
ところで、上述した脱硫設備では、脱硫を行う場合に熱源が必要となる。従来、この熱源として、複合発電設備における蒸気タービンを駆動するための水蒸気が供給されていた。
しかしながら、脱硫設備の熱源を全て蒸気タービンの駆動蒸気から供給してしまうと、蒸気タービンを駆動させるための水蒸気の量がその分減少してしまい、蒸気タービンの出力が下がり、ＩＧＣＣ全体の発電出力（発電効率）が低下してしまう。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、発電効率を向上させることができる水素製造設備および発電プラントを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、ボイラと該ボイラで生成された高温蒸気により駆動される蒸気タービンとを備える発電プラントに設けられ、前記発電プラント内の他の設備に供給するための蒸気を生成する水素製造設備であって、一酸化炭素を含むプロセス流体が供給され、該プロセス流体と水蒸気とを混合する増湿器と、前記増湿器から出力された増湿されたプロセス流体を触媒下で反応させることにより、該プロセス流体中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する反応器と、前記反応器において反応した後の高温のプロセス流体が流れる第１配管と、補給水を供給する第２配管と、前記第１配管と前記第２配管とを少なくとも１つの位置で交差させ、各交差位置に設けられた少なくとも１台の第１熱交換器と、前記第１熱交換器における熱交換によって発生した蒸気を前記他の設備に供給する第３配管と、前記増湿器における余剰の水分の一部を外部に逃がす排出路と、前記第２配管と前記排出路とが交差する位置に設けられた第２熱交換器と、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器において熱交換を終えた補給水が流入する気液分離器とを備え、前記第３配管は、前記気液分離器の気相部に接続され、該気液分離器により分離された蒸気を前記他の設備に供給する水素製造設備（水素製造システム）を提供する。
このような構成によれば、増湿器において水蒸気と混合されたプロセス流体は反応器に送られる。反応器において、プロセス流体は触媒化で反応させられることにより、プロセス流体中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、この反応によりプロセス流体中に包含される水素が増加する。また、反応時には反応熱が発生する。反応により高温となった水素リッチのプロセス流体は第１配管に出力される。一方、第２配管からは補給水が供給される。第１配管と第２配管とは少なくとも一つの位置で交差しており、この各交差位置には熱交換器が配置されている。この熱交換器によって、第２配管を流れる補給水は反応器から出力された高温のプロセス流体との間で熱交換されることにより昇温されて蒸気が発生し、この蒸気が第３配管を介して発電プラント内の他の設備へ供給されることとなる。
このように、本発明の水素製造設備によれば、反応器における反応熱を利用して蒸気を発生させ、この蒸気を他の設備へ供給するので、例えば、蒸気タービンを駆動するために利用される高温蒸気の一部が他の設備で使用されるのを防止する、または、その使用量を低減させることができる。これにより、蒸気タービンに送られる高温蒸気の量を増加させることができ、発電効率を高めることができる。
更に、増湿器における余剰の水分の一部を外部に逃がす排出路と第２配管とが交差する位置に第２熱交換器を設けるので、当該設備内で生じた熱を更に有効に使用して蒸気を生成させることができる。これにより、より多くの蒸気を他の設備に供給することが可能となる。
上記水素製造設備は、前記気液分離器の液相部からのドレイン水が流通する第４配管を備え、前記第４配管は、前記第２配管に接続されていることとしてもよい。
これにより、補給水を循環させることが可能となり、補給水の供給量を低減させることができる。
本発明の水素製造設備は、例えば、炭化水素化合物を含むガス中から一酸化炭素を取り除くような反応を必要とする設備を必要とする発電プラントに広く適用されるものであり、特に、ＣＯ２回収型のＩＧＣＣにおける水素製造設備として適用されるのに好適である。
本発明は、石炭をガス化して石炭ガスを生成するガス化炉と、前記ガス化炉から石炭ガスが供給され、水素リッチの石炭ガスを生成する上記いずれかの水素製造設備と、前記水素製造設備から出力された水素リッチの石炭ガスから硫化水素および二酸化炭素を除去し、精製ガスを生成する精製ガス生成設備と、ガスタービンと蒸気タービンとを備える複合発電設備と、前記精製ガス生成設備により生成された精製ガスを前記複合発電設備へ供給する精製ガス配管とを備え、前記精製ガス配管は、前記水素製造設備の前記第１配管と少なくとも１つの位置で交差しており、該交差位置のそれぞれには熱交換器が配置されており、前記第１配管を流通する高温のプロセス流体との間で少なくとも１回熱交換が行われた精製ガスが前記精製ガス配管を通じて前記複合発電設備へ供給される発電プラントを提供する。
このような構成によれば、反応器における反応熱を利用して精製ガスを昇温させ、昇温した精製ガスを複合発電設備へ供給することが可能となる。これにより、反応器における反応熱を更に有効利用させることができ、発電プラントの効率向上に寄与することができる。
また、上記水素製造設備においては、増湿器において増湿された前記プロセス流体を前記増湿器から前記反応器へ供給する第５配管と、前記増湿器における余剰の水分を循環させる循環路と、前記循環路と前記第１配管とが交差する位置に設けられ、前記反応器において反応された後の高温のプロセス流体と該循環路を循環する流体との間で熱交換を行わせる第４熱交換器とを更に備えていてもよい。
本発明によれば、増湿器において水蒸気と混合されたプロセス流体は、第５配管を通じて反応器に送られる。反応器において、プロセス流体は触媒化で反応させられることにより、プロセス流体中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、この反応によりプロセス流体中に包含される水素が増加する。また、反応時には反応熱が発生する。反応により高温となった水素リッチのプロセス流体は第１配管に出力される。
一方、増湿器でプロセス流体と混合されなかった余剰分の水蒸気は、例えば、水に冷やされた後、循環路を経由して増湿器へ戻る。
この場合において、循環路と第１配管との交差する位置には、高温のプロセス流体と循環路を循環する流体との間で熱交換を行わせる第４熱交換器が設けられているので、循環路を循環する流体はプロセス流体の熱によって温められて高温の流体とされ、増湿器に戻されることとなる。このように、上記構成によれば、増湿器における余剰分の水蒸気（水）を循環させ、更に、この水蒸気（水）を反応器における反応熱を利用して高温にするので、増湿器において使用される水蒸気を自身の設備内において供給することができる。これにより、他の設備から供給する水蒸気の量を大幅に低減させることが可能となる。
上記水素製造設備は、前記循環路から分岐し、該第４熱交換器をバイパスする第１バイパス配管と、前記第１バイパス配管に設けられ、前記第１熱交換器に送られる流体の流量を調整する第１流量調節弁とを具備することとしてもよい。
このように、第４熱交換器をバイパスする第１バイパス配管を循環路に設けたので、第４熱交換器に送られる流体の一部をバイパスさせることが可能となる。更に、第１バイパス配管には、第１流量調節弁が設けられているので、この第１流量調節弁が適切な開度に調整されることにより、第４熱交換器へ送られる流体の流量を適切な量に調節することが可能となる。これにより、流体の温度を適切な温度に調節することができ、増湿器に戻される流体の温度を適温とすることができる。
上記水素製造設備は、前記第５配管と前記第１配管とが交差する位置に設けられ、前記増湿器からのプロセス流体と前記反応器から出力された反応後の高温のプロセス流体との間で熱交換を行わせる第５熱交換器を備えることとしてもよい。
このような構成によれば、第５熱交換器において、増湿器から反応器へ送られるプロセス流体と、反応器から出力された高温のプロセス流体との間で熱交換が行われることにより、反応器へ送られるプロセス流体の温度を高くすることができ、反応に適した温度条件により近づけることができる。
上記水素製造設備は、前記第１配管から分岐し、前記第５熱交換器をバイパスする第２バイパス配管と、前記第２バイパス配管に設けられ、前記第５熱交換器へ送られる前記反応後の高温のプロセス流体の流量を調整する第２流量調節弁とを具備することとしてもよい。
このような構成によれば、第２バイパス配管に設けられた第２流量調節弁を適度な開度に調節することにより、第５熱交換器に送られる高温のプロセス流体の流量を適量に調節することができる。これにより、第５熱交換器における熱交換の程度を調整でき、反応器へ送られるプロセス流体の温度を反応に適した温度に調節することができる。
上記水素製造設備は、補給水を前記増湿器へ供給する第６配管と、前記第６配管と前記第１配管とが交差する位置に設けられ、反応後の高温のプロセス流体と該第６配管を流れる補給水との間で熱交換を行わせる熱交換器とを具備することとしてもよい。
このような構成によれば、第６配管を流れる補給水は、第６配管に配置された熱交換器において高温のプロセス流体と熱交換されることにより温められた後に増湿器へ供給される。これにより、増湿器の温度雰囲気に好適な温度の補給水（水蒸気）を増湿器に補給することができ、増湿器内の蒸気を十分な量に保つことが可能となる。
上記水素製造設備において、前記第６配管と前記第１配管とは複数の位置で交差しており、該交差位置のそれぞれには熱交換器が配置されていてもよい。
このように、第６配管と第１配管とを複数の位置で交差させ、該交差位置のそれぞれに熱交換器を設けることにより、第６配管を流れる補給水を次第に高温にしていくことができ、その一部あるいは全部を水蒸気とすることが可能となる。
上記水素製造設備は、前記第６配管に設けられ、該第６配管を流通する流体を水と水蒸気とに分離する気液分離器と、前記気液分離器によって分離された水蒸気を前記第５配管に供給する第７配管とを具備することとしてもよい。
このような構成によれば、第６配管を流れる補給水は気液分離器によって水と水蒸気とに分離され、分離された水蒸気は第７配管を流れることにより第５配管に供給される。これにより、第５配管を流れるプロセス流体に対して、更に水蒸気を与えることが可能となる。
上記水素製造設備は、前記第７配管に設けられ、該第５配管に供給する水蒸気の流量を調節する第４流量調節弁を備えることとしてもよい。
これにより、第５配管に供給される水蒸気を適度な量に調節することができる。
上記水素製造設備は、前記第７配管に設けられ、前記第７配管を流通する水蒸気を前記反応器において発生する熱で加熱する第６熱交換器を具備することとしてもよい。
このような構成によれば、第７配管を流れる水蒸気の温度を高めた後に第５配管に混入させることが可能となる。また、第７配管を流れる水蒸気が反応器における反応熱を奪うことにより、反応器の温度を低下させることができ、反応を促進させることが可能となる。
上記水素製造設備は、前記第７配管から分岐し、前記第７配管を流通する水蒸気の一部を前記増湿器へ供給する第８配管を備えることとしてもよい。
このような構成によれば、第７配管からも増湿器へ水蒸気を供給することが可能となる。
上記水素製造設備は、前記第８配管に設けられ、前記増湿器へ供給する水蒸気の量を調節する第５流量調節弁を備えることとしてもよい。
第５流量調節弁により、第７配管から増湿器へ供給される水蒸気の量を調節することが可能となる。
上記水素製造設備において、前記第１流量調節弁の開度及び前記第５流量調節弁の開度は、増湿器内の雰囲気温度に基づいて制御されることとしてもよい。
増湿器内の雰囲気温度は水蒸気とプロセス流体とを混合するのに適した温度に保たれることが好ましい。第１流量調節弁の開度を全開に近づけるほど、第４熱交換器に流入する流体の量が多くなるので、流体の温度を上昇させることができ、この流体が増湿器に供給されることにより、増湿器の温度を高めることができる。また、第５流量調節弁の開度を全開に近づけるほど、第７配管を介して増湿器に供給される水蒸気の量を多くすることができる。ここで、第７配管を流れる水蒸気は、反応器における反応熱によって高温とされているので、この高温の水蒸気を増湿器に供給することにより増湿器の温度を上昇させることができる。
このように、第１流量調節弁、第５流量調節弁の開度を調節することにより、増湿器内の雰囲気温度を適切な値に保つことができる。
上記水素製造設備において、前記第５流量調節弁を全閉状態とした状態で前記第１流量調節弁を全閉状態としても、増湿器内の温度が飽和温度に達しなかった場合に、増湿器内の温度が飽和温度に達するまで前記第５流量調節弁の開度が開かれることとしてもよい。
このように、循環路を循環する流体の温度を上昇させる方を優先させ、循環路から供給される水蒸気によっても増湿器内の雰囲気温度が飽和温度に達しなかった場合に、第５流量調節弁を徐々に開状態とすることで、高温の水蒸気を第７配管から増湿器へ供給させる。このように優先度をつけることで、第７配管を介して供給させる水蒸気の量を極力抑制することが可能となる。これにより、第７配管を介して供給する水蒸気の量が低減することを回避することが可能となる。
上記水素製造設備は、前記循環路から分岐し、前記循環路を流通する流体の一部を外部に逃がす排出路を具備することとしてもよい。
流体を循環器によって循環させて、何度も繰り返し利用することにより、流体内に含まれる不純物は徐々に増加する。このような場合に、排出路を設けておくことにより、汚れた流体を排出することが可能となり、流体内に包含される不純物の量を低減させることが可能となる。
本発明によれば、発電効率を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係る発電プラントの主要構成を示した概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素製造設備の概略構成を示した図である。 反応器における一酸化炭素濃度と温度との関係における平衡曲線を示した図である。 第１流量調節弁および第４流量調節弁の弁開度制御について示した図である。 水素製造設備で生成された蒸気の用途について説明するための図である。 水素製造設備で生成された蒸気の用途について説明するための図である。 本発明の変形例１に係る水素製造設備の概略構成を示した図である。 本発明の変形例２に係る水素製造設備の概略構成を示した図である。 本発明の変形例３に係る水素製造設備の概略構成を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る水素製造設備の概略構成を示した図である。
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る水素製造設備および発電プラントについて、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る発電プラントの主要構成を示した概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る発電プラントは、ＣＯ２回収型のＩＧＣＣ（Integrated Gasification Combined Cycle）であり、ガス化炉１０１、水素製造設備１、脱硫設備１０３、二酸化炭素回収設備１０４、及び複合発電設備１０５を備えている。このような発電プラントでは、ガス化炉１０１においてガス化された石炭ガスが水素製造設備１に送られ、水素製造設備１において、石炭ガスと水蒸気とが触媒下で反応させられ、石炭ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成されて、水素リッチの石炭ガスが生成される。シフト反応後の石炭ガスは、脱硫設備１０３において脱硫された後、二酸化炭素回収設備１０４に送られることにより、ガス中の二酸化炭素が回収され、水素リッチとなった精製ガスが複合発電設備１０５へ送られる。複合発電設備１０５では、例えば、精製ガスがガスタービンの燃焼器へ送られ、ガスタービンを駆動するための原動力として用いられ、また、ガスタービンの排熱により生成された高温蒸気により蒸気タービンが駆動され、発電が行われる。
このような発電プラントを構成するガス化炉１０１、水素製造設備１０２、脱硫設備１０３へは、熱源として複合発電設備１０５からの蒸気が供給されるようになっている。また、水素製造設備１においても後述するように蒸気が生成され、この蒸気が脱硫設備１０３に供給されるようになっている。
従来は、熱源として蒸気を必要とするプラント内の各設備に対して複合発電設備１０５から高温蒸気を供給していたところ、本実施形態では、水素製造設備１において蒸気を生成し、この蒸気を他の設備に供給することで、複合発電設備１０５からの蒸気供給を補助することが可能となる。これにより、複合発電設備１０５から他の設備への蒸気排出量を低減することができ、複合発電設備１０５における高温設備を可能な限り蒸気タービンの回転駆動に使用させることが可能となる。これにより、発電効率を向上させることができる。
なお、図１では、水素製造設備１から脱硫設備１０３に蒸気が供給されている場合を例示しているが、水素製造設備１からの蒸気供給先は、脱硫設備１０３に限られず、例えば、発電プラント内において熱源として高温蒸気を必要としている設備に対して供給可能とされている。
図２は、本実施形態に係る水素製造設備１の概略構成を示した図である。本実施形態に係る水素製造設備１は、複合発電設備１０５における発電効率を向上させるために、（Ｉ）他の設備に供給する蒸気を生成するための構成と、（ＩＩ）自身の設備内における熱源を効率よく利用し、外部（本実施形態においては、複合発電設備１０５）から供給される熱源をできるだけ低下させるような構成（以下「自設備の効率化に関する構成」という。）とを有している。
以下、上記（Ｉ）の構成及び作用について説明し、その後、（ＩＩ）の構成及び作用について説明する。
（Ｉ）他の設備に供給する蒸気を生成する構成について
図１に示すように、本実施形態に係る水素製造設備１は、一酸化炭素を含むプロセス流体が供給され、該プロセス流体と水蒸気とを混合する増湿器２と、増湿器２から出力された増湿されたプロセス流体を触媒下で反応させることにより、該プロセス流体中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する反応器３とを備えている。反応器３において反応した後の高温のプロセス流体は、第１配管Ａを通じて図１に示した脱硫設備１０３へ供給されるようになっている。
また、外部の設備から補給水を供給する第２配管Ｂが配され、第１配管Ａと第２配管Ｂとが交差する位置には、第１配管Ａを流れる高温のプロセス流体と第２配管Ｂを流れる低温の補給水との間で熱交換を行わせる複数の第１熱交換器５１ａ，５１ｂが設けられている。
増湿器２には、プロセス流体と混合されなかった余剰分の水分であるドレイン水を循環させる循環路Ｄが設けられている。この循環路Ｄには、循環路Ｄから分岐し、循環路Ｄを流通するドレイン水の一部を外部に逃がす排出路Ｄ１が設けられている。また、この排出路Ｄ１には、外部へ排出させるドレイン水の量を調整するための調節弁が設けられている。例えば、排出路Ｄ１を流れるドレイン水は、概ね２００℃に熱せられている。排出路Ｄ１において、第２配管Ｂと交差する位置には第２熱交換器５２が設けられている。
図１においては、第２配管において上流から、第１熱交換器５１ａ、第２熱交換器５２、第１熱交換器５１ｂの順で設けられた場合を例示しているが、これら熱交換器の配置順については特に限定されない。
第１熱交換器５１ａ，５１ｂ及び第２熱交換器５２において熱交換された後の補給水は、気液分離器５４に送られ、気液分離が行われるようになっている。気液分離器５４において分離された蒸気は、気液分離器５４の気相部に接続された第３配管Ｃを通じて、脱硫設備１０３（図１参照）に供給される。第３配管Ｃには、圧力調節弁５６が設けられており、この圧力調節弁５６の弁開度が調整されることにより、排出される蒸気の圧力が調整される。
また、気液分離器５４の液相部は第４配管Ｅに接続している。この第４配管Ｅは、第２配管Ｂに接続されている。なお、図１では、第４配管Ｅは、第２配管Ｂにおいて、第１熱交換器５１ａと第２熱交換器５２との間に接続されている。これにより、気液分離器５４によって分離されたドレイン水を、第４配管Ｅを通じて第２配管Ｂを流れている補給水に合流させることができ、補給水の循環路を形成させることができる。また、第４配管Ｅには、循環ポンプ５５が設けられており、この循環ポンプ５５によって循環量が調整されるようになっている。
このような水素製造設備１においては、一酸化炭素を含有するプロセス流体が増湿器２に供給され、増湿器２において水蒸気と混合されるとともに、飽和温度まで熱せられる。増湿器２において水蒸気と混合されたプロセス流体は、反応器３に送られる。反応器３において、プロセス流体は触媒化で反応させられることにより、プロセス流体中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、この反応によりプロセス流体中に包含される水素が増加する。また、反応時には反応熱が発生する。このときの反応式については、以下の（１）式の通りである。
Figure 0005495749
反応により、水素リッチとなった高温のプロセス流体は第１配管Ａに出力され、以降、複数回の熱交換等を行うことにより低温とされて、後段の脱硫設備１０３に送られる。
一方、第２配管Ｂからは発電プラントを構成する他の設備から補給水が供給される。例えば、複合発電設備１０５から補給水が供給される。より具体的には、複合発電設備１０５は、ガスタービンを駆動した後の高温のガスを回収し、高温ガスと熱交換することにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラ、排熱回収ボイラにおいて生成された蒸気によって回転する蒸気タービン、蒸気タービンを回転させて仕事を終えた排出蒸気を奪熱して復水する復水器、復水や補給水を一旦貯留する給水タンク、給水中の溶存酸素を除去する脱気器等を備えている。また、複合発電設備１０５において、脱気器において生成された溶存酸素が除去された水は、再び排熱回収ボイラへ供給され、再利用される構成とされている。このような複合発電設備１０５において、脱気器で精製された水（例えば、約４０℃以上１２０℃以下）が水素製造設備１の第２配管Ｂに供給されるような構成となっている。
第２配管Ｂから当該設備内に供給された補給水は第２配管Ｂを流れることにより、第１熱交換器５１ａへ送られる。第１熱交換器５１ａに流入した補給水は、第１配管Ａを流れる高温のプロセス流体（例えば、約１４０℃）と熱交換されることにより昇温され、昇温後の補給水は、第４配管Ｅを流れてきたドレイン水と合流した後、第２熱交換器５２へ送られる。第２熱交換器５２に送られた混合水は、排出路Ｄ１を流れてきた高温の排水（約２００℃）との間で熱交換が行われ、その後、第１熱交換器５１ｂで第１配管Ａを流れる高温のプロセス流体と更に熱交換されることにより更に昇温される。このような熱交換を複数回行うことで、補給水はガス化され、気液分離器５４に送られる。気液分離器５４では、水蒸気内に含まれる水分が分離され、乾燥された高温蒸気が第３配管Ｃを通じて脱硫設備１０３へ送られ、脱硫設備１０３において熱源として使用される。他方、気液分離器５４で蒸気と分離された水は、第４配管Ｅを通じて第２配管Ｂを流れる補給水に加えられ、再び第２配管Ｂを循環することとなる。
このように、本実施形態に係る水素製造設備１では、第２配管Ｂから補給された補給水を反応器３において生成された高温のプロセス流体と熱交換させることにより熱して高温の蒸気を生成し、この蒸気を発電プラントにおける他の設備、例えば、脱硫設備１０３（図１参照）に供給する。これにより、複合発電設備１０５（図１参照）から脱硫設備１０３へ供給される高温蒸気量を低減させることができ、発電効率を向上させることができる。
（ＩＩ）自設備の効率化に関する構成について
図２に示すように、循環路Ｄと第１配管Ａとが交差する位置に、反応器３において反応された後の高温のプロセス流体と該循環路Ｄを循環する流体との間で熱交換を行わせる第４熱交換器７が設けられている。循環路Ｄにおいて、第４熱交換器７の上流側には、循環路Ｄから分岐し第４熱交換器７をバイパスする第１バイパス配管Ｆが設けられている。この第１バイパス配管Ｆには、第４熱交換器７に送られる流体の流量を調整する第１流量調節弁８が設けられている。
増湿器２から反応器３に増湿されたプロセス流体を供給する第５配管Ａ´と第１配管Ａとが交差する位置には、増湿器２からのプロセス流体と反応器３から出力された反応後の高温のプロセス流体との間で熱交換を行わせる第５熱交換器９が設けられている。
第１配管Ａにおいて、第５熱交換器９の上流側には、第１配管Ａから分岐し、第５熱交換器９をバイパスする第２バイパス配管Ｈが設けられている。この第２バイパス配管Ｈには、第２熱交換器９へ送られる反応後の高温のプロセス流体の流量を調整するための第２流量調節弁１０が設けられている。
また、水素製造設備１には、当該設備内で循環される補給水、具体的には、増湿器２で使用される水分を補給するための第６配管Ｉが設けられている。この第６配管Ｉは、第１配管Ａと少なくとも１箇所、好ましくは、複数の箇所で交差するように形成されている。図１では、３箇所で交差する場合を図示している。各交差位置には、第１配管Ａを流れる反応後の高温のプロセス流体と補給水との間で熱交換を行わせるための熱交換器１１，１２，１３が設けられている。
また、第１配管Ａを流れるプロセス流体は、循環路Ｄを流れる流体や第６配管Ｉを流れる補給水等と熱交換して冷やされることにより、プロセス流体中の水蒸気が水に変化し、水分が発生する。このプロセス流体中に含まれている水分を回収するために、第１配管Ａには、少なくとも１つの気液分離器が設けられている。図１では、２つの気液分離器１８，１９を図示している。各気液分離器１８，１９において回収された水分は、配管Ｊ，Ｋをそれぞれ通じて補給水が流通する第６配管Ｉに供給されるようになっている。
第６配管Ｉにおいて、補給水の最も下流側に設けられている熱交換器１３の更に下流側には、第６配管Ｉを流通する流体を気相と液相とに分離する気液分離器２０が設けられている。また、気液分離器２０の気相部には、気液分離機２０によって分離された水蒸気を第５配管Ａ´に供給する第７配管Ｌが接続されている。
第７配管Ｌには、第５配管Ａ´に供給する水蒸気の流量を調節するための第４流量調節弁２１が設けられている。更に、第７配管Ｌには、第７配管Ｌを流通する水蒸気を反応器３において発生する熱で加熱する第６熱交換器２２が設けられている。
また、第５配管Ａ´には、例えば、複合発電設備１０５（図１参照）から高温蒸気を供給するための蒸気供給配管６が接続されている。この蒸気供給配管６は、本設備内における水蒸気が不足した場合、例えば、後述するように、第７配管Ｌ等から蒸気が供給されたとしても、なお蒸気量が不足した場合に、その不足分を補うために使用される。
また、第７配管Ｌには、第７配管Ｌから分岐し、第７配管Ｌを流通する水蒸気の一部を増湿器２へ供給する第８配管Ｍが設けられている。この第８配管Ｍには、増湿器２へ供給する水蒸気の量を調節するための第５流量調節弁２３が設けられている。
上述したような水素製造設備においては、反応器３における反応により水素リッチとなった高温のプロセス流体が第１配管Ａに出力される。第１配管Ａに放出された高温のプロセス流体は、第５熱交換器９において、第５配管Ａ´を流れる反応前のプロセス流体と熱交換される。このとき、第５熱交換器９に送られる反応後のプロセス流体は、第２流量調節弁１０の開度によって調整される。この第２流量調節弁１０の開度を、第５配管Ａ´を流れる反応前のプロセス流体の温度に応じて調節することで、反応器３に送られる反応前のプロセス流体の温度を反応に適した値に調整することができる。このように、反応器３の入口温度を最適化することにより、反応器３における反応を促進させることが可能となる。
第５熱交換器９において熱交換された後の反応後のプロセス流体は、第１配管Ａを流通し、熱交換器１３において第６配管Ｉを流れる補給水との間で熱交換した後、第４熱交換器７に送られる。第４熱交換器７では、増湿器２においてプロセス流体と混合されなかった余剰分の水蒸気が冷やされて生成されたドレイン水が循環路Ｄを通じて供給される。第４熱交換器７において、第１配管Ａを流通する高温のプロセス流体と循環路Ｄを流通するドレイン水との間で熱交換が行われ、高温とされたドレイン水は循環路Ｄを通じて増湿器２に再び戻され、一方、熱交換により熱量が奪われたプロセス流体は、第１配管Ａを流通し、熱交換器１２に送られる。
この場合において、第４熱交換器７に送られるドレイン水の流量は、第１バイパス配管Ｆに設けられた第１流量調節弁８の開度によって調整される。第１流量調節弁８の開度を増湿器２内の雰囲気温度に応じて調節することで、増湿器２に送られるドレイン水の温度を増湿器２の雰囲気温度に適した値（例えば、飽和温度）に調整することが可能となる。これにより、増湿器２の雰囲気温度を最適な値に保つことが可能となる。
熱交換器１２に送られたプロセス流体は、第６配管Ｉを流れる補給水との間で熱交換を行うことで更に冷やされ、その後、気液分離器１８に送られる。気液分離器１８では、プロセス流体中に含まれていた水分が回収され、この水分は配管Ｊを通じて第６配管Ｉに供給される。気液分離器１８において水分が回収された後のプロセス流体は、第１熱交換器５１ｂを経由した後、熱交換器１１に送られ、再び補給水との間で熱交換が行われる。熱交換後のプロセス流体は、第１熱交換器５１ａを経由して気液分離器１９に送られ、水分が回収された後、脱硫設備１０３（図１参照）へ供給される。
一方、第６配管Ｉを流れる補給水は、上述したように、３台の熱交換器１１，１２，１３において、プロセス流体との間で熱交換が行われることにより、徐々に温められ、その一部が水蒸気とされた状態で気液分離器２０に送られる。
気液分離器２０では、水蒸気と水とが分離され、補給水は第６配管Ｉを通じて増湿器２に供給される。一方、水蒸気は、第７配管Ｌを流通することにより、第６熱交換器２２へ送られる。第６熱交換器２２では、反応器３における反応熱により第７配管Ｌを流通する水蒸気が熱せられる。
これにより、反応器３において反応時に発生する熱量を消費させることができ、反応器３内の雰囲気温度を抑制することが可能となる。反応器３における一酸化炭素濃度と温度とは、図３に示すような相関関係を有している。つまり、温度が低いほど、プロセス流体内に含まれている一酸化炭素を二酸化炭素に変成することができ、プロセス流体内の一酸化炭素の量を低減させることができる。従って、反応器３における温度上昇を抑制することにより、反応器３における反応を促進させることが可能となる。
反応時に発生する熱を用いて高温とされた第７配管Ｌを流通する水蒸気は、その一部が第８配管Ｍを通じて増湿器２に供給されるとともに、残りが第５配管Ａ´を流れるプロセス流体に混入させられる。ここで、第８配管Ｍを通じて増湿器２に供給される水蒸気の流量は、第８配管Ｍに設けられている第５流量調節弁２３の開度によって調整される。
ここで、増湿器２内の雰囲気温度は、プロセス流体と水蒸気とを混合させるのに適した値に保持されることが好ましい。増湿器２内の雰囲気温度は、上述したように、循環路Ｄの第１バイパス配管Ｆに設けられている第１流量調節弁８の開度を調整することにより行われるが、第１流量調節弁８の弁開度を全閉にして、循環路Ｄを流れるドレイン水を全て第１熱交換器７に供給したとしても、熱量が十分ではなく、増湿器２内における雰囲気温度を好適な値に保持できないことが懸念される。
このような場合であっても、第７配管Ｌを流れる高温の水蒸気を増湿器２に供給するルートである第８配管Ｍを設けておくことで、上記熱量の不足を解消することが可能となる。
上記第１流量調節弁８の開度および第５流量調節弁２３の開度は、例えば、図４に示されるように制御される。つまり、増湿器２においてそれほど熱量が必要とされない場合には、第５流量調節弁２３を全閉とした状態で、第１流量調節弁８の開度を調節する。これに対し、第１流量調節弁８を全閉とし、循環路Ｄを流れる全てのドレイン水を第４熱交換器７に投入しても熱量が足りない場合には、第５流量調節弁２３の開度を調整することにより、第８配管Ｍから増湿器２へ高温の水蒸気を供給し、増湿器２における熱量を補償する。
このように、本実施形態に係る水素製造設備１によれば、増湿器２において余剰となった水蒸気を冷却し、ドレイン水として循環させる循環路Ｄと、循環路Ｄを循環するドレイン水を反応後のプロセス流体の熱によって温める第４熱交換器７とを備えるので、増湿器２において使用される水蒸気を当該設備内で可能な限り供給することが可能となる。つまり、第６配管Ｉから増湿器２に補給水を供給し、第７配管Ｌから高温の水蒸気を第５配管Ａ´に供給し、更に、第８配管Ｍから高温の水蒸気を増湿器２に供給したとしても、なお熱量、或いは、水蒸気の流量が不足する場合が懸念される場合に限って、蒸気供給配管６を通じて複合発電設備１０５から高温蒸気が供給されることとなる。
これにより、複合発電設備１０５から供給される高温蒸気量を低減することができ、発電効率を更に向上させることができる。
なお、上記水素製造設備１において生成された高温蒸気は、例えば、図５に示すような脱硫設備１０３における熱交換器で使用される。例えば、図５に示すような構成を備える脱硫設備１０３では、水素製造設備１の第１配管Ａを通じて出力された水素リッチなプロセス流体が、Ｈ2Ｓ吸収液が満たされたＨ2Ｓ吸収塔７１に供給される。Ｈ2Ｓ吸収塔７１でＨ2Ｓを吸収した吸収液は、熱交換器７３において高温蒸気と熱交換されることにより昇温されてガス化され、吸収液再生塔７２に供給される。吸収液再生塔７２では、ガス中に含まれるＨ2Ｓが取り除かれ、また、熱が奪われて液化した流体がＨ2Ｓ吸収塔７１に再び戻される。また、吸収液再生塔７２からＨ2Ｓ吸収塔７１に液体を戻す循環路には、その一部の流体を再び昇温させて吸収液再生塔７２に戻すための熱交換器７４が設けられている。
この熱交換器７４において、吸収液再生塔７２から排出された流体は昇温され、再びガス化されて吸収液再生塔７２に戻るようになっている。このように、脱硫設備１０３では、複数の熱交換器７３、７４が設けられており、これらの熱交換器において流体を昇温させるための熱源が必要となる。本実施形態に係る発電プラントでは、このような脱硫設備１０３の熱交換器で使用される熱源として、水素製造設備１で生成した高温蒸気を供給する。したがって、複合発電設備１０５において発電に用いられる高温蒸気が発電以外の他の用途に使用されるのを回避或いはその量を低減でき、発電効率を向上させることができる。
また、図６は、脱硫設備１０３における脱硫と二酸化炭素回収設備１０４におけるＣＯ２の回収を一つの系で行わせてしまう場合の構成である。この場合でも、脱硫設備においては複数の熱交換器が設置されており、これらの熱源に上記水素製造設備１で生成された蒸気を用いることができる。
〔変形例１〕
上述した第１の実施形態においては、第２配管Ｂを通じて外部から補給水を供給していたが、これに代えて、図７に示すように、水素製造設備内で用いられる補給水を供給する第６配管Ｉから補給水を得ることとしてもよい。このようにすることで、設備構成を簡素化することが可能となる。
〔変形例２〕
上述した第１の実施形態においては、反応器３を１機のみ備える場合について例示したが、複数の反応器を備えていてもよい。この場合には、上流側に配置された反応器において反応された反応後のプロセス流体が交流側に配置されている反応器に順次供給される構成とされる。このように、複数の反応器を設けることにより、プロセス流体における一酸化炭素の含有量を更に低下させることができる。また、このように２機以上の反応器を備える場合には、各反応器で発生する反応熱をそれぞれ異なる流体との間で熱交換させてもよい。
図８に、２機の反応器３ａ、３ｂを備える場合を例示する。図８においては、上流側に配置されている反応器３ａにおいて、第７配管Ｌを流れる水蒸気と反応熱とを熱交換させるとともに、下流側に配置されている反応器３ｂにおいて、第６配管Ｉを流れる補給水と反応熱とを熱交換させている。
〔変形例３〕
上述した第１の実施形態においては、反応器３における反応熱を第７配管Ｌを流れる水蒸気と熱交換させることで、反応器３の温度上昇を抑制していたが、これに代えて、反応器３における熱と循環路Ｄを流れるドレイン水とを熱交換させることで反応器３の温度上昇を抑制することとしてもよい。図９に、反応器３における熱と循環路Ｄを流れるドレイン水との間で熱交換を行わせる場合の構成を例示する。第７熱交換器３０において、反応器３における熱と循環路Ｄを流れるドレイン水との間での熱交換を行わせる。また、循環路Ｄに、第７熱交換器３０をバイパスする第３バイパス配管Ｑを設け、更に、この第３バイパス配管Ｑに、第７熱交換器３０に送るドレイン水の流量を調整するための第６流量調節弁３１を設けることとしてもよい。これにより、反応器３内の温度を反応に適切な値に保持することができる。
なお、反応器３において発生する反応熱の消費方法としては、上述したドレイン水との熱交換に限られず、例えば、第６配管Ｉを流れる補給水との間で熱交換を行わせることとしてもよい。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図１０を用いて説明する。
本実施形態の水素製造設備が第１の実施形態と異なる点は、図１に示した二酸化炭素回収設備１０４にて生成された精製ガスと第１配管Ａを流れる高温のプロセス流体とを熱交換させることにより精製ガスを昇温させ、昇温させた精製ガスを複合発電設備１０５（図１参照）へ供給するための精製ガス配管Ｎが更に設けられている点である。
図１０において、精製ガスが流通する精製ガス配管Ｎは、第１配管Ａにおいて、気液分離器１９と第１熱交換器５１ａとの間で交差し、更に、第５熱交換器９と熱交換器１３との間で交差するように配置されている。各交差位置には、熱交換器６１、６２が設けられており、この熱交換器６１，６２において、第１配管Ａを流通する高温のプロセス流体と精製ガス配管Ｎを流通する精製ガスとの間で熱交換が行われるようになっている。熱交換によって昇温され、約３００℃に熱せられた精製ガスは、複合発電設備１０５（図１参照）に送られ、例えば、ガスタービンの手前に設けられている燃焼器へ送られる。
このように、水素製造設備の後段に配置されている設備で生成されたガスと熱交換を行わせる熱交換器６１，６２を設けることにより、反応器３において発生した熱量を更に有効に利用することが可能となる。
なお、上記熱交換器６１，６２の配置位置及び配置台数については、第１配管Ａを流通するプロセス流体自体に所定の熱量が確保される範囲であれば特に限定されない。例えば、熱交換器６１は、第１配管Ａにおいて第１熱交換器５１ｂと熱交換器１１との間に設けられていてもよいし、或いは、熱交換器１１と第１熱交換器５１ａとの間に設けられていてもよい。
なお、上記変形例１から３に係る構成及び第２の実施形態に係る構成は、設計用途等に応じて適宜組み合わせることが可能である。
１ 水素製造設備
２ 増湿器
３ 反応器
５１ａ、５１ｂ 第１熱交換器
５４ 気液分離器
１０１ ガス化炉
１０３ 脱硫設備
１０４ 二酸化炭素回収設備
１０５ 複合発電設備
Ａ 第１配管
Ｂ 第２配管
Ｃ 第３配管
Ｄ 循環路
Ｄ１ 排出路
Ｅ 第４配管
Ｎ 精製ガス配管

Claims (4)

  1. ボイラと該ボイラで生成された高温蒸気により駆動される蒸気タービンとを備える発電プラントに設けられ、前記発電プラント内の他の設備に供給するための蒸気を生成する水素製造設備であって、
    一酸化炭素を含むプロセス流体が供給され、該プロセス流体と水蒸気とを混合する増湿器と、
    前記増湿器から出力された増湿されたプロセス流体を触媒下で反応させることにより、該プロセス流体中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する反応器と、
    前記反応器において反応した後の高温のプロセス流体が流れる第１配管と、
    補給水を供給する第２配管と、
    前記第１配管と前記第２配管とを少なくとも１つの位置で交差させ、各交差位置に設けられた少なくとも１つの第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器における熱交換によって発生した蒸気を前記他の設備に供給する第３配管と、
    前記増湿器における余剰の水分の一部を外部に逃がす排出路と、
    前記第２配管と前記排出路とが交差する位置に設けられた第２熱交換器と、
    前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器において熱交換を終えた補給水が流入する気液分離器と
    を備え、
    前記第３配管は、前記気液分離器の気相部に接続され、該気液分離器により分離された蒸気を前記他の設備に供給する水素製造設備。
  2. 前記気液分離器の液相部からのドレイン水が流通する第４配管を備え、
    前記第４配管は、前記第２配管に接続されている請求項１に記載の水素製造設備。
  3. 請求項１または請求項２に記載の水素製造設備を備える発電プラント。
  4. 石炭をガス化して石炭ガスを生成するガス化炉と、
    前記ガス化炉から石炭ガスが供給され、水素リッチの石炭ガスを生成する請求項１または請求項２に記載の水素製造設備と、
    前記水素製造設備から出力された水素リッチの石炭ガスから硫化水素および二酸化炭素を除去し、精製ガスを生成する精製ガス生成設備と、
    ガスタービンと蒸気タービンとを備える複合発電設備と、
    前記精製ガス生成設備により生成された精製ガスを前記複合発電設備へ供給する精製ガス配管と
    を備え、
    前記精製ガス配管は、前記水素製造設備の前記第１配管と少なくとも１つの位置で交差しており、該交差位置のそれぞれには熱交換器が配置されており、前記第１配管を流通する高温のプロセス流体との間で少なくとも１回熱交換が行われた精製ガスが前記精製ガス配管を通じて前記複合発電設備へ供給される発電プラント。
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