JP6651826B2 - Hydrogen utilization system and method - Google Patents
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Description
本発明は、機器にて使用され、または発生した水素を燃焼装置の燃料として利用するための水素利用システム及び方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen utilization system and method for utilizing hydrogen used or generated in equipment as fuel for a combustion device.
従来、燃焼装置を備える発電設備などで用いられる機器においては、冷却剤として使用される水素ガスを利用した水素冷却発電機や、冷却剤として利用する海水から塩素を生成する際に水素が発生する海水電解装置などが知られている。 Conventionally, in a device used in a power generation facility including a combustion device, hydrogen is generated when chlorine is generated from a hydrogen-cooled generator using hydrogen gas used as a coolant or seawater used as a coolant. BACKGROUND ART Seawater electrolyzers and the like are known.
例えば、水素冷却発電機では、機器の保守，点検作業に先立ち、内部に封入されている水素ガスを抜き取る必要がある。これは、水素ガスに対する空気の混合比が４〜７５％の爆発範囲になると、化学反応によって爆発を生じる虞があるためである。そのため、このような水素ガスの抜取作業としては、発電機内に炭酸ガスを封入し水素ガスを大気中に放出して炭酸ガスに置換し、さらに空気を封入して炭酸ガスを大気中に放出し空気に置換することで、発電機の内部点検が可能な状態を確保している（例えば、特許文献１参照）。 For example, in the case of a hydrogen-cooled generator, it is necessary to remove hydrogen gas sealed inside prior to maintenance and inspection of the equipment. This is because a chemical reaction may cause an explosion when the mixing ratio of air to hydrogen gas is in the range of 4 to 75%. For this reason, hydrogen gas is extracted by filling carbon dioxide gas in the generator, releasing hydrogen gas into the atmosphere and replacing it with carbon dioxide gas, and further filling air to release carbon dioxide gas into the atmosphere. By replacing with air, a state in which the inside of the generator can be inspected is secured (for example, see Patent Document 1).
ところで、近年では、地球環境の保全対策が論議され、特に大気中のＣＯ2の増加による地球温暖化現象の防止のため、発電設備としての火力発電プラントにおいても大気中に放出されるＣＯ2を抑制する技術の開発が大気汚染物質（ＳＯｘ、ＮＯｘ、ばいじん等）を抑制する技術の開発と共に急務となっていた。そのため、火力発電プラントから放出される排ガスからＣＯ2を分離、回収して処理する技術がいろいろと研究され、基本的にはほぼ確立されつつある。 In recent years, discussed conservation of the global environment, especially for the prevention of global warming due to an increase of atmospheric CO 2, the CO 2 that is released into the atmosphere even in a thermal power plant as power generation equipment There has been an urgent need for the development of a control technology together with the development of a technology for controlling air pollutants (SOx, NOx, soot, etc.). For this reason, various technologies for separating, recovering and treating CO 2 from exhaust gas emitted from a thermal power plant have been studied, and are basically being established.
しかしながら、火力発電プラントから放出される排ガス中のＣＯ2濃度は５〜１０ｍｏｌ％と極めて低いため、多量のガス量からＣＯ2を効率よく分離、回収することは困難で、経済性に優れた有効な実用化技術は未だ確立されていない。そして、たとえ実用化されても、ＣＯ2分離、回収するための装置、設備の追設が必要であり、その設備および運用管理に要する費用を考慮すれば、経済性に難点があり、所要動力等のエネルギーを必要としプラント効率が損なわれることが懸念されている。 However, since the CO 2 concentration in the exhaust gas discharged from the thermal power plant is extremely low, 5 to 10 mol%, it is difficult to efficiently separate and recover CO 2 from a large amount of gas, and it is economically effective. No practical technology has been established yet. Then, be even practically, CO 2 separation, apparatus for recovering, requires additional installation of equipment, considering the cost of the equipment and operation management, there are difficulties in economy, power requirement There is a concern that such energy is required and plant efficiency is impaired.
また、従来の置換装置を用いた水素の抜取作業では、炭酸ガスに置換する水素や空気に置換する炭酸ガスは大気中に放出され、他の用途に再利用されることはなかった。一方、特許文献１の技術では、炭酸ガスは回収されて次工程のガス置換に再利用されるものの、水素に関しては未だ未回収のままであるという問題があった。 Further, in a hydrogen extracting operation using a conventional replacement device, hydrogen to be replaced by carbon dioxide and carbon dioxide to be replaced by air are released into the atmosphere and are not reused for other uses. On the other hand, in the technique of Patent Document 1, although the carbon dioxide gas is recovered and reused for gas replacement in the next step, there is a problem that hydrogen is still not recovered.
そこで、本発明は上述したような問題に鑑みなされたものであり、従来、大気放出していた水素や水素を取り出すための置換に用いる炭酸ガスの有効利用を図ることが可能となる水素利用システム及び方法を提供するものである。 In view of the above, the present invention has been made in view of the above-described problems, and a hydrogen utilization system capable of effectively utilizing hydrogen conventionally released to the atmosphere and carbon dioxide used for replacement for extracting hydrogen. And a method .
上記目的を達成するため、本発明に係る水素利用システムは、
機器において使用された水素、または前記機器とは異なる装置において発生した水素を、燃焼装置の燃料として利用するための水素利用方法であって、
前記機器と前記燃焼装置の燃料系統とを連通して接続し、これら機器と燃料系統との間に、前記機器から取り出した前記水素を貯蔵する貯蔵部を備え、
前記水素を炭酸ガスに置換しながら前記機器から取り出した場合、当該水素と炭酸ガスとの混合ガスを前記貯蔵部に貯蔵した後、前記燃料系統に送給すると共に、前記水素を前記装置から前記置換することなく取り出した場合、当該水素を、前記貯蔵部を介すことなく直接前記燃料系統に送給することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a hydrogen utilization system according to the present invention comprises:
A method for utilizing hydrogen used in an apparatus , or hydrogen generated in an apparatus different from the above-described apparatus, for use as fuel for a combustion apparatus,
The device and the fuel system of the combustion device are connected in communication with each other, and a storage unit that stores the hydrogen extracted from the device is provided between the device and the fuel system,
When taken out from the apparatus while replacing the hydrogen in carbon dioxide after storage of the mixed gas of the hydrogen and carbon dioxide in the reservoir, with feed Kyusuru to the fuel system, the said hydrogen from said device When taken out without replacement, the hydrogen is directly sent to the fuel system without passing through the storage unit.
このとき、前記貯蔵部と前記燃料系統との間に設けられ、前記貯蔵部から送給される前記混合ガスを水素と二酸化炭素とに分離する分離部を更に備え、
前記分離部は、前記分離した水素の一部を前記燃料系統に送給し、当該水素の他部を専用の水素タンクに貯蔵すると共に、前記分離した二酸化炭素を専用の二酸化炭素タンクに貯蔵することが好ましい。
At this time, further provided is a separation unit provided between the storage unit and the fuel system, and separates the mixed gas supplied from the storage unit into hydrogen and carbon dioxide,
The separation unit sends a part of the separated hydrogen to the fuel system, stores the other part of the hydrogen in a dedicated hydrogen tank, and stores the separated carbon dioxide in a dedicated carbon dioxide tank. Is preferred.
また、本発明に係る水素利用方法は、
機器において使用された水素、または前記機器とは異なる装置において発生した水素を、燃焼装置の燃料として利用するための水素利用方法であって、
前記機器と前記燃焼装置の燃料系統とを連通して接続する接続工程と、
前記水素を炭酸ガスに置換しながら前記機器から取り出した場合、当該水素と炭酸ガスとの混合ガスを、前記機器と前記燃料系統との間に設けられた貯蔵部に貯蔵した後、前記燃料系統に送給する間接送給工程と、
前記水素を前記装置から前記置換することなく取り出した場合、当該水素を、前記貯蔵部を介すことなく直接前記燃料系統に送給する直接送給工程と、を備えることを特徴とする。
In addition, the method of utilizing hydrogen according to the present invention,
A method for utilizing hydrogen used in an apparatus , or hydrogen generated in an apparatus different from the above-described apparatus, for use as fuel for a combustion apparatus,
A connection step of connecting and connecting the equipment and a fuel system of the combustion device,
When the hydrogen is replaced with carbon dioxide and taken out of the device, a mixed gas of the hydrogen and carbon dioxide is stored in a storage unit provided between the device and the fuel system, and then the fuel system is removed. An indirect feeding process for feeding to
A step of directly feeding the hydrogen to the fuel system without passing through the storage when the hydrogen is taken out of the device without the replacement.
このとき、前記間接送給工程は、
前記貯蔵部からの前記混合ガスを、前記貯蔵部と前記燃料系統との間に設けられた分離部に送給して水素と二酸化炭素とに分離した後、当該分離した水素の一部を前記燃料系統に送給する分離水素送給工程と、
前記分離した水素の他部を専用の水素タンクに貯蔵する水素貯蔵工程と、
前記分離した二酸化炭素を専用の二酸化炭素タンクに貯蔵する二酸化炭素貯蔵工程と、を更に備えることが好ましい。
At this time, the indirect feeding step includes:
After the mixed gas from the storage unit is supplied to a separation unit provided between the storage unit and the fuel system to be separated into hydrogen and carbon dioxide, a part of the separated hydrogen is A separated hydrogen feed process for feeding to the fuel system,
A hydrogen storage step of storing the other part of the separated hydrogen in a dedicated hydrogen tank,
A carbon dioxide storage step of storing the separated carbon dioxide in a dedicated carbon dioxide tank.
本発明によれば、従来、大気放出していた水素や水素を取り出すための置換に用いる炭酸ガスの有効利用を図ることができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to effectively use hydrogen conventionally released to the atmosphere and carbon dioxide used for replacement for extracting hydrogen.
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態による水素利用システムを備えた発電設備を示す概要図である。なお、図中に表す矢印は水素，炭酸ガス，およびそれらの混合ガス，二酸化炭素が配管等の流路内を流れる方向を示している。また、以下の説明では、水素冷却発電機を備える発電設備（発電プラント）を適用する場合について述べるが、本発明はこれに限ることはない。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a power generation facility provided with a hydrogen utilization system according to an embodiment of the present invention. The arrows shown in the figure indicate the directions in which hydrogen, carbon dioxide, a mixed gas thereof, and carbon dioxide flow in a flow path such as a pipe. Further, in the following description, a case where a power generation facility (power generation plant) including a hydrogen-cooled generator is applied will be described, but the present invention is not limited to this.
図１に示すように、本実施形態における水素利用システムは、後述する発電プラントに接続されて用いられ、当該発電プラントの水素冷却発電機１（以下、単に発電機１と称す）から送給される水素および炭酸ガスを貯蔵する貯蔵タンク２と、貯蔵タンク２から送給される水素および炭酸ガスから二酸化炭素（ＣＯ2）を分離するＣＯ2分離装置３と、ＣＯ2分離装置３によって分離された水素と二酸化炭素とをそれぞれ貯蔵するタンク４，５とを備えている。
As shown in FIG. 1, the hydrogen utilization system according to the present embodiment is used by being connected to a power generation plant described later, and is supplied from a hydrogen-cooled generator 1 (hereinafter, simply referred to as a generator 1) of the power generation plant. A
この発電プラントでは、メタンを主成分とした天然ガスを冷却し液化した無色透明の液体であるＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）を、燃料系統に設けられた混合器６を介して水素利用システムから供給される水素（または水素と炭酸ガスとの混合ガス）と混合した燃料ガスを、燃焼装置としてのボイラ７や燃焼器８に供給する。燃焼器８は混合器６から供給された燃料ガスを圧縮機９から送られる高圧の空気と混合，燃焼させる。これにより発生する高温高圧の燃焼ガスによりガスタービン１０を回転させる。ガスタービン１０は、その出力軸に連結された圧縮機９を回転駆動させると共に、発電機１を回転駆動させて発電を行う。一方、ボイラ７は、混合器６からの燃料ガスを燃焼させた燃焼熱によって、不図示の復水器から送給される復水を加熱して蒸気を発生させ、不図示の蒸気タービンを駆動させることで発電を行うことが可能となっている。そして、発電機１で発電された電力は、不図示の変圧器や送電線を介して需要家に供給（送電）される。また、蒸気を直接利用することも可能である。
In this power plant, LNG (Liquefied Natural Gas), which is a transparent and colorless liquid obtained by cooling and liquefying natural gas containing methane as a main component, is used for hydrogen through a mixer 6 provided in a fuel system. A fuel gas mixed with hydrogen (or a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide) supplied from the system is supplied to a boiler 7 or a
ここで、本実施形態による水素利用システムを用いた水素利用方法について説明する。まず、水素利用システムを発電プラントに接続して（接続工程）、発電機１内部に封入された水素を炭酸ガスで置換しながら放出し、これら水素と炭酸ガスとを貯蔵タンク２に貯蔵する。
Here, a hydrogen utilization method using the hydrogen utilization system according to the present embodiment will be described. First, the hydrogen utilization system is connected to the power plant (connection step), and the hydrogen enclosed in the generator 1 is released while replacing it with carbon dioxide gas, and the hydrogen and carbon dioxide gas are stored in the
次に、発電機１から放出された水素および炭酸ガスをＣＯ2分離装置３に送給し（間接送給工程）、水素と二酸化炭素とに分離した後、当該分離された水素の一部が、ボイラ７やガスタービン１０の燃料系統である混合器６に供給される（分離水素送給工程）。そして、混合器６においてＬＮＧと混合され、ボイラ７やガスタービン１０の燃料ガスとして再利用される。このとき、分離された他方（すなわち、残り）の水素と、二酸化炭素とは、それぞれ専用の水素タンク４および二酸化炭素タンク５に貯蔵され、別の用途に使用することが可能となっている（水素貯蔵工程，二酸化炭素貯蔵工程）。
Next, the hydrogen and the carbon dioxide gas released from the generator 1 are fed to the CO 2 separation device 3 (indirect feeding step), and are separated into hydrogen and carbon dioxide. Is supplied to the mixer 6 which is a fuel system of the boiler 7 and the gas turbine 10 (separated hydrogen supply step). Then, it is mixed with LNG in the mixer 6 and reused as fuel gas for the boiler 7 and the
なお、発電機１からの放出が初期の段階においては、水素のみ、または水素濃度の高い状態で放出されるため、貯蔵タンク２に貯蔵された水素を、ＣＯ2分離装置３を介すことなく混合器６に供給してもよい。
In the initial stage, the release from the generator 1 is released only in the form of hydrogen or in a state with a high hydrogen concentration, so that the hydrogen stored in the
また、上述した実施形態では、発電機１からの水素を、貯蔵タンク２を介してＣＯ2分離装置３や混合器６に供給する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、発電プラントが海水電界装置１１を備える場合、当該海水電界装置１１から炭酸ガスによる置換を行うことなく放出された水素を、貯蔵タンク２およびＣＯ2分離装置３を介すことなく、直接混合器６に供給するようにしてもよい（直接供給工程）。但し、海水電界装置１１からの水素に対する炭酸ガス成分の含有量が増え、水素の濃度が薄まってきた場合、上述した実施形態と同様にＣＯ2分離装置３にて分離するか、または放出するかする。ここで、海水電界装置１１は、発電プラントにおいて冷却剤として利用される海水から塩素を生成するもので、当該塩素の生成の際に水素が発生する。例えば、発電プラントにおいて、不図示の蒸気タービンから排出された蒸気は復水器（不図示）に送気され、当該復水器内部において循環ポンプ（不図示）を介して供給される冷却水としての海水によって冷却されて凝縮し、復水するようになっている。
Further, in the above-described embodiment, a case has been described in which hydrogen from the generator 1 is supplied to the CO 2 separation device 3 and the mixer 6 via the
以上、説明したように、本実施形態では、発電器１と混合器６との間に連通して接続され、発電機１から取り出した水素を貯蔵する貯蔵タンク２を備えており、水素を炭酸ガスに置換しながら発電機１から取り出した場合、当該水素と炭酸ガスとの混合ガスを貯蔵タンク２に貯蔵した後、混合器６に送給すると共に、水素を海水電界装置１１から置換することなく取り出した場合、当該水素を、貯蔵タンク２を介すことなく直接混合器６に送給し、ボイラ７やガスタービン１０の燃料ガスとして再利用することが可能となっている。これにより、従来、大気放出していた水素や水素を取り出すための置換に用いる炭酸ガスの有効利用を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, the
このとき、貯蔵タンク２と混合器６との間に、当該貯蔵タンク２から送給される水素と炭酸ガスとの混合ガスから、水素と二酸化炭素とを分離するＣＯ2分離装置３を更に設け、
ＣＯ2分離装置３が、分離した水素の一部を混合器６に送給し、当該水素の残りの他部を専用の水素タンク４に貯蔵すると共に、分離した二酸化炭素を専用の二酸化炭素タンク５に貯蔵することが好ましい。これにより、これら水素および二酸化炭素を別の用途に使用することが可能となる。
At this time, a CO 2 separation device 3 for separating hydrogen and carbon dioxide from a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide gas fed from the
The CO 2 separation device 3 sends a part of the separated hydrogen to the mixer 6, stores the remaining part of the hydrogen in a dedicated hydrogen tank 4, and separates the separated carbon dioxide into a dedicated
なお、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う水素利用システムおよび水素利用方法もまた本発明の技術思想に含まれる。 The present invention can be appropriately modified without departing from the gist or idea of the invention which can be read from the claims and the entire specification, and the hydrogen utilization system and the hydrogen utilization method involving such modifications are also described in the present invention. It is included in the technical idea of the invention.
また、上述した実施形態においては、水素を既存の燃料系統（混合器６）に導入する場合について述べたが、水素単独で燃焼させるようにしてもよい。 Further, in the above-described embodiment, the case where hydrogen is introduced into the existing fuel system (mixer 6) has been described, but hydrogen may be burned alone.
さらに、発電プラントとしては、上述した実施形態の発電プラントに限らず、その他種々の発電プラントを広く適用することができる。例えば、発電プラントとして、加圧流動床ボイラを用い石炭を燃焼させた燃焼熱により蒸気を発生させ、蒸気タービン（図示省略）を駆動すると共に、燃焼ガスでガスタービン１０を駆動させ発電する複合発電プラントとしての加圧流動床複合発電（ＰＦＢＣ：Pressurized Fluidized Bed combined Cycle）プラントや石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle）を適用してもよい。
Further, the power plant is not limited to the power plant according to the above-described embodiment, and various other power plants can be widely applied. For example, as a power plant, a combined power generation system in which steam is generated by combustion heat generated by burning coal using a pressurized fluidized bed boiler to drive a steam turbine (not shown) and to drive the
１ 発電機
２ 貯蔵タンク（貯蔵部）
３ ＣＯ2分離装置（分離部）
４ 水素用タンク
５ 二酸化炭素用タンク
６ 混合器（燃料系統）
７ ボイラ
８ 燃焼器
９ 圧縮機
１０ ガスタービン
１１ 海水電界装置
1
3 CO 2 separation device (separation unit)
4
7
Claims (4)
前記機器と前記燃焼装置の燃料系統とを連通して接続し、これら機器と燃料系統との間に、前記機器から取り出した前記水素を貯蔵する貯蔵部を備え、
前記水素を炭酸ガスに置換しながら前記機器から取り出した場合、当該水素と炭酸ガスとの混合ガスを前記貯蔵部に貯蔵した後、前記燃料系統に送給すると共に、前記水素を前記装置から前記置換することなく取り出した場合、当該水素を、前記貯蔵部を介すことなく直接前記燃料系統に送給する
ことを特徴とする水素利用システム。 A hydrogen utilization system for utilizing hydrogen used in an apparatus , or hydrogen generated in an apparatus different from the apparatus, as fuel for a combustion apparatus,
The device and the fuel system of the combustion device are connected in communication with each other, and a storage unit that stores the hydrogen extracted from the device is provided between the device and the fuel system,
When taken out from the apparatus while replacing the hydrogen in carbon dioxide after storage of the mixed gas of the hydrogen and carbon dioxide in the reservoir, with feed Kyusuru to the fuel system, the said hydrogen from said device When the hydrogen is taken out without replacement, the hydrogen is directly supplied to the fuel system without passing through the storage unit.
前記分離部は、前記分離した水素の一部を前記燃料系統に送給し、当該水素の他部を専用の水素タンクに貯蔵すると共に、前記分離した二酸化炭素を専用の二酸化炭素タンクに貯蔵する
ことを特徴とする請求項１に記載の水素利用システム。 Further provided is a separation unit provided between the storage unit and the fuel system, for separating the mixed gas supplied from the storage unit into hydrogen and carbon dioxide,
The separation unit sends a part of the separated hydrogen to the fuel system, stores the other part of the hydrogen in a dedicated hydrogen tank, and stores the separated carbon dioxide in a dedicated carbon dioxide tank. The hydrogen utilization system according to claim 1, wherein:
前記機器と前記燃焼装置の燃料系統とを連通して接続する接続工程と、
前記水素を炭酸ガスに置換しながら前記機器から取り出した場合、当該水素と炭酸ガスとの混合ガスを、前記機器と前記燃料系統との間に設けられた貯蔵部に貯蔵した後、前記燃料系統に送給する間接送給工程と、
前記水素を前記装置から前記置換することなく取り出した場合、当該水素を、前記貯蔵部を介すことなく直接前記燃料系統に送給する直接送給工程と、を備える
ことを特徴とする水素利用方法。 A method for utilizing hydrogen used in an apparatus , or hydrogen generated in an apparatus different from the above-described apparatus, for use as fuel for a combustion apparatus,
A connection step of connecting and connecting the equipment and a fuel system of the combustion device,
When the hydrogen is replaced with carbon dioxide and taken out of the device, a mixed gas of the hydrogen and carbon dioxide is stored in a storage unit provided between the device and the fuel system, and then the fuel system is removed. An indirect feeding process for feeding to
A direct supply step of directly supplying the hydrogen to the fuel system without passing through the storage when the hydrogen is taken out of the device without the replacement. Method.
前記貯蔵部からの前記混合ガスを、前記貯蔵部と前記燃料系統との間に設けられた分離部に送給して水素と二酸化炭素とに分離した後、当該分離した水素の一部を前記燃料系統に送給する分離水素送給工程と、
前記分離した水素の他部を専用の水素タンクに貯蔵する水素貯蔵工程と、
前記分離した二酸化炭素を専用の二酸化炭素タンクに貯蔵する二酸化炭素貯蔵工程と、を更に備える
ことを特徴とする請求項３に記載の水素利用方法。 The indirect feeding step,
After the mixed gas from the storage unit is supplied to a separation unit provided between the storage unit and the fuel system to be separated into hydrogen and carbon dioxide, a part of the separated hydrogen is A separated hydrogen feed process for feeding to the fuel system,
A hydrogen storage step of storing the other part of the separated hydrogen in a dedicated hydrogen tank,
The method according to claim 3, further comprising: a carbon dioxide storage step of storing the separated carbon dioxide in a dedicated carbon dioxide tank.
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