JP7843670B2 - Heat engine system - Google Patents
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Description
本開示は、熱機関システムに関する。 This disclosure relates to a heat engine system.
各種の液体状態、または気体状態の媒体が外部から投入されることによって、所定の機能を発揮する機関(設備、装置等)がある。このような機関に媒体を投入するに先立ち、媒体を相変化させることがある。例えば、固体状態の媒体を液化させた後に、機関に投入することがある。また、液体状態の媒体を気化させた後に、機関に投入することがある。 There are engines (equipment, devices, etc.) that perform a predetermined function when various liquid or gaseous media are introduced from the outside. Prior to introducing a media into such an engine, the media may undergo a phase change. For example, a solid media may be liquefied before being introduced into the engine. Alternatively, a liquid media may be vaporized before being introduced into the engine.
例えば、特許文献1には、液体状態の媒体を気化させた後に機関に投入するガスタービンプラントが記載されている。このガスタービンプラントは、ガスタービンと、加熱装置と、分解ガス圧縮機と、を備えている。ガスタービンは、燃料を燃焼させることで生成される排気ガスを排気している。加熱装置は、液化アンモニアを加熱することで生成されたアンモニアガスを加熱し、水素ガスと窒素ガスとを含む分解ガスを生成している。分解ガス圧縮機は、加熱装置からの分解ガスを、ガスタービンに投入可能な投入圧力以上に昇圧している。このガスタービンプラントでは、液体状態のアンモニアが、ガスタービンからの排気ガスを利用して気化されている。このように液体から気体に相変化されたアンモニアを燃料(投入媒体)として、水素ガスと窒素ガスとを含む分解ガスを生成し、ガスタービンに供給している。 For example, Patent Document 1 describes a gas turbine plant that vaporizes a liquid medium before feeding it into the engine. This gas turbine plant comprises a gas turbine, a heating device, and a decomposition gas compressor. The gas turbine exhausts exhaust gas produced by the combustion of fuel. The heating device heats ammonia gas produced by heating liquefied ammonia, generating decomposition gas containing hydrogen and nitrogen gases. The decomposition gas compressor pressurizes the decomposition gas from the heating device to a pressure above the input pressure required for feeding into the gas turbine. In this gas turbine plant, liquid ammonia is vaporized using the exhaust gas from the gas turbine. This ammonia, which has undergone a phase change from liquid to gas, is used as fuel (input medium) to generate decomposition gas containing hydrogen and nitrogen gases, which is then supplied to the gas turbine.
しかしながら、特許文献1に記載された構成を始め、媒体を相変化させて用いる場合、媒体を相変化させる際に必要な熱を効果的に供給することが常に望まれている。一般に、気化や融解等のように、媒体をエンタルピーが高い相に相変化させる際には、単に温度を高める場合と比較して、非常に大きな熱が必要となる。従って、エンタルピーが高い相への相変化はエネルギー消費量の増大に繋がるため、効果的な熱供給が特に重要である。 However, when using a medium that undergoes a phase change, as described in Patent Document 1, it is always desirable to effectively supply the heat required for the phase change. Generally, when a medium undergoes a phase change to a phase with high enthalpy, such as vaporization or melting, a significantly larger amount of heat is required compared to simply increasing the temperature. Therefore, since a phase change to a phase with high enthalpy leads to increased energy consumption, effective heat supply is particularly important.
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、熱媒体を高エンタルピーの相から低エンタルピーの相に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体を低エンタルピーの相から高エンタルピーの相に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能な熱機関システムを提供することを目的とする。 This disclosure was made to solve the above-mentioned problems and aims to provide a heat engine system that can effectively supply the large amount of heat necessary for phase-changing the input medium from a low-enthalpy phase to a high-enthalpy phase by effectively utilizing the waste heat generated when the heat transfer medium is phase-changed from a high-enthalpy phase to a low-enthalpy phase.
上記課題を解決するために、本開示に係る熱機関システムは、ガス燃料によって駆動されて排気ガスを生成する熱機関と、前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、前記液体燃料供給部は、前記液体燃料の飽和温度が前記水分の露点未満となる範囲で、前記燃料加熱ラインに供給される前記液体燃料を圧縮する液体燃料圧縮部を備え、前記燃料加熱ラインと前記ガス燃料圧縮機とを接続し、前記燃料加熱ラインで前記液体燃料を気化して生成された前記ガス燃料を、前記ガス燃料圧縮機に供給するガス燃料供給ラインをさらに備える。
また、本開示に係る熱機関システムは、ガス燃料によって駆動されて排気ガスを生成する熱機関と、前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、前記排熱回収ボイラは、前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を気化させて前記ガス燃料を生成するとともに、前記排気ガスに含まれる前記水分を凝縮させる蒸発器を有し、前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成し、前記排熱回収ボイラで回収された排熱により水蒸気を生成し、前記燃料加熱ラインは、前記水蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱する。
また、本開示に係る熱機関システムは、ガス燃料によって駆動されて排気ガスを生成する熱機関と、前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、前記排熱回収ボイラは、前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を気化させて前記ガス燃料を生成するとともに、前記排気ガスに含まれる前記水分を凝縮させる蒸発器を有し、前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成し、前記排熱回収ボイラで回収された排熱により水蒸気を生成し、前記燃料加熱ラインは、前記水蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱し、前記排熱回収ボイラは、低圧蒸発器と、高圧蒸発器とを備え、前記排熱回収ボイラ中の前記排気ガスが流れる方向で、下流から上流に向かって、前記低圧蒸発器、前記高圧蒸発器、の順序で配置され、前記低圧蒸発器、前記高圧蒸発器は、それぞれ、水を水蒸気にし、前記蒸発器は、前記排気ガスが流れる方向で、前記低圧蒸発器の下流に配置される。
To solve the above problems, the heat engine system according to the present disclosure comprises: a heat engine driven by gaseous fuel to generate exhaust gas; a waste heat recovery boiler that recovers waste heat from the exhaust gas and has a fuel heating line that heats liquid fuel by heat exchange with the exhaust gas to generate the gaseous fuel; a liquid fuel supply unit that supplies the liquid fuel to the fuel heating line; and a gas fuel compressor that compresses the gaseous fuel generated in the fuel heating line and supplies it to the heat engine, wherein at least a portion of the fuel heating line is located in the waste heat recovery boiler in a region below the dew point, which is a temperature range where the temperature of the exhaust gas passing through the waste heat recovery boiler is below the dew point of the water contained in the exhaust gas; the liquid fuel supply unit comprises a liquid fuel compression unit that compresses the liquid fuel supplied to the fuel heating line in a range where the saturation temperature of the liquid fuel is below the dew point of the water; and the system further comprises a gas fuel supply line that connects the fuel heating line and the gas fuel compressor and supplies the gaseous fuel generated by vaporizing the liquid fuel in the fuel heating line to the gas fuel compressor.
Furthermore, the heat engine system according to this disclosure comprises a heat engine driven by gaseous fuel to generate exhaust gas, a fuel heating line that generates gaseous fuel by heating liquid fuel through heat exchange with the exhaust gas, and a waste heat recovery boiler that recovers waste heat from the exhaust gas, a liquid fuel supply unit that supplies the liquid fuel to the fuel heating line, and a gas fuel compressor that compresses the gaseous fuel generated in the fuel heating line and supplies it to the heat engine, wherein at least a portion of the fuel heating line is the waste heat that passes through the waste heat recovery boiler The exhaust gas is positioned in a region below the dew point, which is a temperature range where the temperature of the gas is below the dew point of the moisture contained in the exhaust gas. The exhaust heat recovery boiler has an evaporator that vaporizes the liquid fuel to produce the gaseous fuel by heat exchange with the exhaust gas and condenses the moisture contained in the exhaust gas. The fuel heating line heats the liquid fuel in the evaporator to produce the gaseous fuel, generates steam using the exhaust heat recovered by the exhaust heat recovery boiler, and heats the liquid fuel by heat exchange with the exhaust gas after the steam has been generated.
Furthermore, the heat engine system according to this disclosure comprises a heat engine driven by gaseous fuel to generate exhaust gas, a heat recovery boiler having a fuel heating line that heats liquid fuel by heat exchange with the exhaust gas to generate the gaseous fuel and recovers the waste heat from the exhaust gas, a liquid fuel supply unit that supplies the liquid fuel to the fuel heating line, and a gas fuel compressor that compresses the gaseous fuel generated in the fuel heating line and supplies it to the heat engine, wherein at least a portion of the fuel heating line is located in the below-dew point region of the heat recovery boiler, which is a temperature region where the temperature of the exhaust gas passing through the heat recovery boiler is below the dew point of the water contained in the exhaust gas, and the heat recovery boiler recovers the liquid by heat exchange with the exhaust gas The fuel heating line has an evaporator that vaporizes the fuel to produce the gaseous fuel and condenses the moisture contained in the exhaust gas, and the fuel heating line heats the liquid fuel in the evaporator to produce the gaseous fuel and generates steam using the waste heat recovered by the waste heat in the waste heat recovery boiler, and the fuel heating line heats the liquid fuel by heat exchange with the exhaust gas after the steam has been generated, and the waste heat recovery boiler comprises a low-pressure evaporator and a high-pressure evaporator, which are arranged in the order of the low-pressure evaporator and the high-pressure evaporator from downstream to upstream in the direction in which the exhaust gas flows in the waste heat recovery boiler, and the low-pressure evaporator and the high-pressure evaporator each convert water into steam, and the evaporator is arranged downstream of the low-pressure evaporator in the direction in which the exhaust gas flows.
本開示に係る熱機関システムは、投入対象機関に対して投入される前の投入媒体を加熱して相変化させる熱機関システムであって、前記投入対象機関から排出され、前記投入媒体よりも高温の熱媒体と前記投入媒体とを熱交換させることで、前記熱媒体の相変化及び前記投入媒体の相変化を生じさせる熱交換部と、前記熱交換部で相変化した前記投入媒体を圧縮して前記投入対象機関に供給する投入媒体圧縮部と、前記熱交換部に供給される前の液体の前記投入媒体を、前記投入媒体の飽和温度、または、擬臨界温度が、前記熱交換部に送り込まれる前記熱媒体が相変化する温度となる圧力よりも低い圧力まで前記投入媒体を圧縮する液体投入媒体圧縮部と、を備える。 The heat engine system according to this disclosure is a heat engine system that heats and causes a phase change of an input medium before it is fed into a target engine, and comprises: a heat exchange unit that causes a phase change of the heat medium and a phase change of the input medium by exchanging heat between the input medium and a heat medium discharged from the target engine and at a higher temperature than the input medium; an input medium compression unit that compresses the input medium that has undergone a phase change in the heat exchange unit and supplies it to the target engine ; and a liquid input medium compression unit that compresses the liquid input medium before it is supplied to the heat exchange unit to a pressure lower than the pressure at which the saturation temperature or pseudocritical temperature of the input medium becomes the temperature at which the phase change of the heat medium is brought into the heat exchange unit .
本開示の熱機関システムによれば、媒体を相変化させる際に必要な熱を効果的に供給することが可能な熱機関システムを提供することができる。 The heat engine system of this disclosure provides a heat engine system that can effectively supply the heat necessary for phase change in a medium.
以下、添付図面を参照して、本開示による熱機関システムを実施するための形態を説明する。しかし、本開示はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。 The following describes embodiments for implementing the heat engine system according to this disclosure, with reference to the attached drawings. However, this disclosure is not limited to these embodiments.
<第一実施形態>
(熱機関システムの構成)
熱機関システム100は、投入対象機関に対して投入される前の投入媒体を加熱して相変化させる。第一実施形態における熱機関システム100は、ガスタービン110の排気ガスEGで蒸気タービン120を駆動させつつ、ガスタービン110への投入媒体であるアンモニア(NH3)を排気ガスEGで加熱するコンバインドサイクルプラントである。図1に示すように、熱機関システム100は、ガスタービン(熱機関、投入対象機関)110と、蒸気タービン120と、排熱回収ボイラ(熱交換部)130と、液体燃料供給部145と、ガス燃料圧縮機148と、を備えている。つまり、熱機関システム100は、投入対象機関であるガスタービン110に対して投入される前の投入媒体である液体アンモニア(液体状態のアンモニア)FLを加熱してアンモニアガス(気体状態のアンモニア)FGへと相変化させている。
<First Embodiment>
(Configuration of the heat engine system)
The heat engine system 100 heats the input medium before it is fed into the target engine, causing a phase change. In the first embodiment, the heat engine system 100 is a combined cycle plant that drives a steam turbine 120 with the exhaust gas EG of a gas turbine 110, while simultaneously heating ammonia ( NH3 ), the input medium to the gas turbine 110, with the exhaust gas EG. As shown in Figure 1, the heat engine system 100 comprises a gas turbine (heat engine, target engine) 110, a steam turbine 120, a waste heat recovery boiler (heat exchange unit) 130, a liquid fuel supply unit 145, and a gas fuel compressor 148. In other words, the heat engine system 100 heats liquid ammonia (ammonia in liquid state) FL, the input medium before it is fed into the target engine, the gas turbine 110, causing a phase change to ammonia gas (ammonia in gaseous state) FG.
(ガスタービンの構成)
ガスタービン110は、ガス燃料であるアンモニアガスFGを燃料として駆動されて排気ガスEGを生成する。本実施形態の熱機関システム100では、ガスタービン110から排出された排気ガスEGを、熱媒体として用いる。ガスタービン110は、空気圧縮機112と、燃焼器113と、タービン114と、を備えている。
(Gas turbine configuration)
The gas turbine 110 is driven by ammonia gas FG, which is a gaseous fuel, to produce exhaust gas EG. In the heat engine system 100 of this embodiment, the exhaust gas EG discharged from the gas turbine 110 is used as a heat transfer medium. The gas turbine 110 comprises an air compressor 112, a combustor 113, and a turbine 114.
空気圧縮機112は、外部から取り込んだ空気を圧縮する。燃焼器113は、空気圧縮機112で圧縮された空気中で、アンモニアガスFGを燃焼させて燃焼ガスを生成する。アンモニアガスFGは、後述するガス燃料圧縮機148で圧縮されて燃焼器113に供給される。 The air compressor 112 compresses air taken in from the outside. The combustor 113 generates combustion gas by burning ammonia gas FG in the air compressed by the air compressor 112. The ammonia gas FG is compressed by the gas fuel compressor 148 (described later) and supplied to the combustor 113.
タービン114は、燃焼器113で生成された高温高圧の燃焼ガスにより駆動される。タービン114のタービンロータと空気圧縮機112の圧縮機ロータとは相互に連結されて、ガスタービンロータ115を構成している。ガスタービンロータ115には、例えば、発電機117が接続されている。タービン114から排気された排気ガスEGは、排熱回収ボイラ130に供給される。 The turbine 114 is driven by high-temperature, high-pressure combustion gases generated in the combustor 113. The turbine rotor of the turbine 114 and the compressor rotor of the air compressor 112 are interconnected to form a gas turbine rotor 115. A generator 117, for example, is connected to the gas turbine rotor 115. The exhaust gas EG discharged from the turbine 114 is supplied to the heat recovery boiler 130.
(蒸気タービンの構成)
蒸気タービン120は、排熱回収ボイラ130で回収された排気ガスEGの排熱を利用して駆動される。具体的には、蒸気タービン120は、排熱回収ボイラ130により生成された蒸気によって駆動される。蒸気タービン120は、高圧蒸気タービン121、中圧蒸気タービン122、低圧蒸気タービン123、復水器125、及び給水ポンプ127を備えている。
(Steam turbine configuration)
The steam turbine 120 is driven by the waste heat of the exhaust gas EG recovered by the waste heat recovery boiler 130. Specifically, the steam turbine 120 is driven by the steam generated by the waste heat recovery boiler 130. The steam turbine 120 comprises a high-pressure steam turbine 121, a medium-pressure steam turbine 122, a low-pressure steam turbine 123, a condenser 125, and a feedwater pump 127.
高圧蒸気タービン121、中圧蒸気タービン122、及び低圧蒸気タービン123は、排熱回収ボイラ130の第一排熱回収ボイラ131で発生した蒸気を利用してそれぞれ駆動される。高圧蒸気タービン121のタービンロータ、中圧蒸気タービン122のタービンロータ、及び低圧蒸気タービン123のタービンロータは、相互に連結されて、一つの蒸気タービンロータ124を成している。この蒸気タービンロータ124は、発電機128に接続されている。 The high-pressure steam turbine 121, the intermediate-pressure steam turbine 122, and the low-pressure steam turbine 123 are each driven using steam generated in the first heat recovery boiler 131 of the heat recovery boiler 130. The turbine rotors of the high-pressure steam turbine 121, the intermediate-pressure steam turbine 122, and the low-pressure steam turbine 123 are interconnected to form a single steam turbine rotor 124. This steam turbine rotor 124 is connected to the generator 128.
高圧蒸気タービン121は、後述の第一排熱回収ボイラ131の高圧過熱器138により過熱された蒸気によって駆動される。中圧蒸気タービン122は、高圧蒸気タービン121から排出された蒸気によって駆動される。低圧蒸気タービン123は、後述の低圧過熱器135により過熱された蒸気、及び中圧蒸気タービン122から排出された蒸気によって駆動される。 The high-pressure steam turbine 121 is driven by steam superheated by the high-pressure superheater 138 of the first waste heat recovery boiler 131 (described later). The intermediate-pressure steam turbine 122 is driven by steam discharged from the high-pressure steam turbine 121. The low-pressure steam turbine 123 is driven by steam superheated by the low-pressure superheater 135 (described later) and steam discharged from the intermediate-pressure steam turbine 122.
復水器125は、低圧蒸気タービン123から排出された蒸気を水に戻す。給水ポンプ127は、復水器125中の水を、後述の第一排熱回収ボイラ131に戻す。具体的には、給水ポンプ127は、復水器125中の水を後述の低圧節炭器132に戻す。 The condenser 125 converts the steam discharged from the low-pressure steam turbine 123 back into water. The feedwater pump 127 returns the water from the condenser 125 to the first waste heat recovery boiler 131, which will be described later. Specifically, the feedwater pump 127 returns the water from the condenser 125 to the low-pressure economizer 132, which will be described later.
(排熱回収ボイラの構成)
排熱回収ボイラ130は、ガスタービン110から排出された排気ガスEGの排熱(熱エネルギー)を回収する。排熱回収ボイラ130は、第一排熱回収ボイラ131と、第二排熱回収ボイラ141と、を有している。
(Configuration of a waste heat recovery boiler)
The waste heat recovery boiler 130 recovers waste heat (thermal energy) from the exhaust gas EG discharged from the gas turbine 110. The waste heat recovery boiler 130 comprises a first waste heat recovery boiler 131 and a second waste heat recovery boiler 141.
第一排熱回収ボイラ131は、ガスタービン110から排出された排気ガスEGの熱エネルギーを利用して、蒸気タービン120を駆動するための蒸気を生成する。第一排熱回収ボイラ131は、低圧節炭器(ECO-LP)132、低圧蒸発器(EVA-LP)133、高圧ポンプ134、低圧過熱器(SH-LP)135、高圧節炭器(ECO-HP)136、高圧蒸発器(EVA-HP)137、高圧過熱器(SH-HP)138を有している。なお、第一排熱回収ボイラ131の構成は、一例に過ぎず、適宜変更可能である。 The first waste heat recovery boiler 131 utilizes the thermal energy of the exhaust gas EG discharged from the gas turbine 110 to generate steam for driving the steam turbine 120. The first waste heat recovery boiler 131 includes a low-pressure economizer (ECO-LP) 132, a low-pressure evaporator (EVA-LP) 133, a high-pressure pump 134, a low-pressure superheater (SH-LP) 135, a high-pressure economizer (ECO-HP) 136, a high-pressure evaporator (EVA-HP) 137, and a high-pressure superheater (SH-HP) 138. Note that the configuration of the first waste heat recovery boiler 131 is merely an example and can be modified as appropriate.
ここで、第一排熱回収ボイラ131中の排気ガスEGが流れる方向で、ガスタービン110に近い側を上流側、その反対の第二排熱回収ボイラ141に近い側を下流側とする。第一排熱回収ボイラ131の内部には、下流から上流に向かって、低圧節炭器132、低圧蒸発器133、低圧過熱器135、高圧節炭器136、高圧蒸発器137、高圧過熱器138の順序で配置されている。 Here, the side closer to the gas turbine 110 is defined as the upstream side, and the side closer to the second heat recovery boiler 141 is defined as the downstream side, in the direction of exhaust gas EG flow in the first heat recovery boiler 131. Inside the first heat recovery boiler 131, the low-pressure economizer 132, low-pressure evaporator 133, low-pressure superheater 135, high-pressure economizer 136, high-pressure evaporator 137, and high-pressure superheater 138 are arranged in that order from downstream to upstream.
低圧節炭器132は、蒸気タービン120の復水器125から供給される水を加熱する。低圧蒸発器133は、低圧節炭器132で加熱された水を蒸気にする。この実施形態で例示する低圧蒸発器133は、上部にドラムが配置された自然循環ボイラである(以下、高圧蒸発器137も同様)。高圧ポンプ134は、低圧節炭器132で加熱された水を昇圧して高圧節炭器136に供給する。低圧過熱器135は、低圧蒸発器133で生成した蒸気を過熱する。低圧過熱器135により過熱された蒸気は、低圧蒸気タービン123に供給される。 The low-pressure economizer 132 heats the water supplied from the condenser 125 of the steam turbine 120. The low-pressure evaporator 133 converts the water heated in the low-pressure economizer 132 into steam. The low-pressure evaporator 133 illustrated in this embodiment is a natural circulation boiler with a drum positioned at the top (the same applies to the high-pressure evaporator 137). The high-pressure pump 134 pressurizes the water heated in the low-pressure economizer 132 and supplies it to the high-pressure economizer 136. The low-pressure superheater 135 superheats the steam generated in the low-pressure evaporator 133. The steam superheated by the low-pressure superheater 135 is supplied to the low-pressure steam turbine 123.
高圧節炭器136は、高圧ポンプ134で昇圧された水を加熱する。高圧蒸発器137は、高圧節炭器136で加熱された水を加熱して蒸気にする。なお、高圧蒸発器137は、排熱回収ボイラ130が有する他の蒸発器、即ち、低圧蒸発器133よりも圧力の高い蒸発器である。つまり、高圧蒸発器137は、排熱回収ボイラ130において、最も圧力の高い蒸発器である。高圧過熱器138は、高圧蒸発器137で生成した蒸気を過熱する。高圧過熱器138により過熱された蒸気は、高圧蒸気タービン121に供給される。 The high-pressure economizer 136 heats the water pressurized by the high-pressure pump 134. The high-pressure evaporator 137 heats the water heated by the high-pressure economizer 136 to produce steam. The high-pressure evaporator 137 has a higher pressure than the other evaporators in the heat recovery boiler 130, namely the low-pressure evaporator 133. In other words, the high-pressure evaporator 137 is the highest-pressure evaporator in the heat recovery boiler 130. The high-pressure superheater 138 superheats the steam generated in the high-pressure evaporator 137. The steam superheated by the high-pressure superheater 138 is supplied to the high-pressure steam turbine 121.
第二排熱回収ボイラ141は、ガスタービン110から排出された排気ガスEGの熱エネルギーを利用して、ガスタービン110の燃料となるアンモニアガス(ガス燃料)FGを生成する。第二排熱回収ボイラ141は、排気ガスEGの熱エネルギーを利用して、液体アンモニア(液体燃料、投入媒体)FLを相変化させてアンモニアガスFGを生成する。第二排熱回収ボイラ141には、第一排熱回収ボイラ131で蒸気生成に利用された後の排気ガスEGが供給される。つまり、第二排熱回収ボイラ141では、第一排熱回収ボイラ131で蒸気生成に利用された後の温度の下がった排気ガスEGの熱エネルギーが利用される。 The second waste heat recovery boiler 141 utilizes the thermal energy of the exhaust gas EG discharged from the gas turbine 110 to generate ammonia gas (gas fuel) FG, which serves as fuel for the gas turbine 110. The second waste heat recovery boiler 141 uses the thermal energy of the exhaust gas EG to cause a phase change in liquid ammonia (liquid fuel, input medium) FL to generate ammonia gas FG. The second waste heat recovery boiler 141 is supplied with exhaust gas EG that has been used for steam generation in the first waste heat recovery boiler 131. In other words, the second waste heat recovery boiler 141 utilizes the thermal energy of the exhaust gas EG, which has cooled down after being used for steam generation in the first waste heat recovery boiler 131.
第二排熱回収ボイラ141は、燃料加熱ライン140と、予熱器142と、蒸発器(熱交換部)143と、過熱器144と、を有している。ここで、第二排熱回収ボイラ141中の排気ガスEGが流れる方向で、第一排熱回収ボイラ131に近い側を上流側、その反対の煙突150に近い側を下流側とする。第二排熱回収ボイラ141の内部には、下流から上流に向かって、予熱器142、蒸発器143、過熱器144の順序で配置されている。 The second waste heat recovery boiler 141 includes a fuel heating line 140, a preheater 142, an evaporator (heat exchange section) 143, and a superheater 144. Here, the side closer to the first waste heat recovery boiler 131 is considered the upstream side, and the opposite side closer to the chimney 150 is considered the downstream side, in the direction of exhaust gas EG flow in the second waste heat recovery boiler 141. Inside the second waste heat recovery boiler 141, the preheater 142, evaporator 143, and superheater 144 are arranged in that order from downstream to upstream.
燃料加熱ライン140は、排気ガスEGの排熱を回収し、排気ガスEGとの熱交換によって液体アンモニアFLを加熱することで、アンモニアガスFGを生成する。燃料加熱ライン140には、液体燃料供給部145から液体アンモニアFLが供給される。液体燃料供給部145は、液体燃料圧縮部146を備えている。液体燃料圧縮部146は、液体アンモニアタンク等の液体アンモニア供給源(図示せず)から供給される液体アンモニアFLを液体状態のまま圧縮する。本実施形態の液体燃料圧縮部146は、ポンプである。液体燃料圧縮部146は、後に詳述するように、液体アンモニアFLの飽和温度が、第二排熱回収ボイラ141に送り込まれる排気ガスEGに含まれる水分の露点未満となる範囲で、燃料加熱ライン140に供給される液体アンモニアFLを圧縮する。つまり、第二排熱回収ボイラ141に送り込まれる排気ガスEGに含まれる水分の露点温度をTegdpとすると、液体アンモニアFLの飽和温度がTegdpとなる圧力よりも低い圧力まで、液体燃料圧縮部146、即ちポンプは、液体アンモニアFLを圧縮する。 The fuel heating line 140 recovers waste heat from the exhaust gas EG and generates ammonia gas FG by heating liquid ammonia FL through heat exchange with the exhaust gas EG. Liquid ammonia FL is supplied to the fuel heating line 140 from the liquid fuel supply unit 145. The liquid fuel supply unit 145 includes a liquid fuel compression unit 146. The liquid fuel compression unit 146 compresses the liquid ammonia FL supplied from a liquid ammonia supply source (not shown), such as a liquid ammonia tank, while it remains in a liquid state. In this embodiment, the liquid fuel compression unit 146 is a pump. As will be described in detail later, the liquid fuel compression unit 146 compresses the liquid ammonia FL supplied to the fuel heating line 140 within a range where the saturation temperature of the liquid ammonia FL is below the dew point of the water contained in the exhaust gas EG sent to the second waste heat recovery boiler 141. In other words, if Tegdp is the dew point temperature of the moisture contained in the exhaust gas EG sent to the second waste heat recovery boiler 141, the liquid fuel compression unit 146, i.e., the pump, compresses the liquid ammonia FL to a pressure lower than the pressure at which the saturation temperature of liquid ammonia FL reaches Tegdp.
また、燃料加熱ライン140は、第二排熱回収ボイラ141において、第二排熱回収ボイラ141を通過する排気ガスEGの温度が、排気ガスEGに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域141aとなる位置を通過するように配置されている。そのため、燃料加熱ライン140は、供給された液体アンモニアFLを、第一排熱回収ボイラ131で蒸気生成した後の排気ガスEGとの熱交換によって液体アンモニアFLを加熱する。燃料加熱ライン140は、排気ガスEGを利用して、液体アンモニアFLから生成したアンモニアガスFGをガス燃料圧縮機148に供給する。 Furthermore, the fuel heating line 140 is positioned so that it passes through a location in the second waste heat recovery boiler 141 where the temperature of the exhaust gas EG passing through the second waste heat recovery boiler 141 is below the dew point of the water contained in the exhaust gas EG, which is the dew point region 141a. Therefore, the fuel heating line 140 heats the supplied liquid ammonia FL through heat exchange with the exhaust gas EG after steam generation in the first waste heat recovery boiler 131. The fuel heating line 140 then uses the exhaust gas EG to supply the ammonia gas FG generated from the liquid ammonia FL to the gas fuel compressor 148.
予熱器142は、液体燃料圧縮部146で圧縮された液体アンモニアFLを、排気ガスEGの熱エネルギーを利用して加熱(予熱)する。予熱器142には、蒸発器143を経た排気ガスEGが供給されている。予熱器142は、排気ガスEGとの熱交換によって、液体アンモニアFLを液体状態のまま加熱する。つまり、予熱器142は、液体アンモニアFLを相変化させることなく加熱する。蒸発器143を経た排気ガスEGは、蒸発器143で液体アンモニアFLと熱交換することで温度低下している。本実施形態の予熱器142は、第二排熱回収ボイラ141において、最も温度の低い排気ガスEGが供給されている。 The preheater 142 heats (preheats) the liquid ammonia FL compressed in the liquid fuel compression section 146 using the thermal energy of the exhaust gas EG. The preheater 142 is supplied with exhaust gas EG that has passed through the evaporator 143. The preheater 142 heats the liquid ammonia FL while it remains in a liquid state through heat exchange with the exhaust gas EG. In other words, the preheater 142 heats the liquid ammonia FL without causing a phase change. The exhaust gas EG that has passed through the evaporator 143 has decreased in temperature due to heat exchange with the liquid ammonia FL in the evaporator 143. In this embodiment, the preheater 142 is supplied with the exhaust gas EG with the lowest temperature in the second waste heat recovery boiler 141.
蒸発器143は、予熱器142で加熱された液体アンモニアFLを、排気ガスEGの熱エネルギーを利用して気化させ、アンモニアガスFGを生成する。蒸発器143は、液体アンモニアFLを相変化させてアンモニアガスFGを生成する。つまり、蒸発器143は、液体状態から気体状態へと液体燃料であるアンモニアを相変化させている。蒸発器143には、過熱器144を経た排気ガスEGが供給されている。蒸発器143は、液体アンモニアFLと排気ガスEGとを熱交換することによって、過熱器144を経た排気ガスEGに含まれる水分を凝縮させる。つまり、蒸発器143は、液体アンモニアFLよりも高温の排気ガスEGと、液体アンモニアFLとを熱交換させることで、排気ガスEGの相変化と、液体アンモニアFLの相変化と、を同時に生じさせる。蒸発器143は、第二排熱回収ボイラ141において、排気ガスEGの温度が露点以下領域141aとなる位置に配置されている。本実施形態の第二排熱回収ボイラ141では、予熱器142及び蒸発器143のみが排気ガスEGの温度が露点以下領域141aとなる位置に配置されている。 The evaporator 143 vaporizes the liquid ammonia FL heated in the preheater 142 using the thermal energy of the exhaust gas EG to produce ammonia gas FG. The evaporator 143 produces ammonia gas FG by causing a phase change in the liquid ammonia FL. In other words, the evaporator 143 causes ammonia, which is a liquid fuel, to undergo a phase change from a liquid state to a gaseous state. The evaporator 143 is supplied with exhaust gas EG that has passed through the superheater 144. The evaporator 143 condenses the water contained in the exhaust gas EG that has passed through the superheater 144 by exchanging heat between the liquid ammonia FL and the exhaust gas EG, which is at a higher temperature than the liquid ammonia FL. In other words, the evaporator 143 causes a phase change in the exhaust gas EG and a phase change in the liquid ammonia FL simultaneously by exchanging heat between the liquid ammonia FL and the exhaust gas EG, which is at a higher temperature than the liquid ammonia FL. The evaporator 143 is positioned in the second waste heat recovery boiler 141 at a location where the temperature of the exhaust gas EG is below the dew point region 141a. In the second waste heat recovery boiler 141 of this embodiment, only the preheater 142 and the evaporator 143 are positioned at a location where the temperature of the exhaust gas EG is below the dew point region 141a.
過熱器144は、蒸発器143に供給される排気ガスEGとの熱交換によって、蒸発器143で生成されたアンモニアガスFGの温度を上昇させる。過熱器144を経た排気ガスEGは、過熱器144でアンモニアガスFGと熱交換することで温度低下している。過熱器144は、ガスタービン110から排出されて第一排熱回収ボイラ131を経た排気ガスEGが、第二排熱回収ボイラ141において、一番初めに供給されている。つまり、本実施形態の過熱器144は、第二排熱回収ボイラ141において、最も温度の高い排気ガスEGが供給されている。過熱器144は、排気ガスEGの温度よりもわずかに低い温度(例えば、5℃から15℃程度)までアンモニアガスFGを加熱する。過熱器144は、排気ガスEGとの熱交換によって、アンモニアガスFGを気体状態のまま加熱する。つまり、過熱器144は、アンモニアガスFGを相変化させることなく加熱する。 The superheater 144 raises the temperature of the ammonia gas FG produced in the evaporator 143 by heat exchange with the exhaust gas EG supplied to the evaporator 143. The exhaust gas EG that has passed through the superheater 144 has its temperature lowered by heat exchange with the ammonia gas FG in the superheater 144. The exhaust gas EG discharged from the gas turbine 110 and passing through the first waste heat recovery boiler 131 is supplied first to the second waste heat recovery boiler 141. In other words, the superheater 144 in this embodiment is supplied with the exhaust gas EG with the highest temperature in the second waste heat recovery boiler 141. The superheater 144 heats the ammonia gas FG to a temperature slightly lower than the temperature of the exhaust gas EG (for example, around 5°C to 15°C). The superheater 144 heats the ammonia gas FG in a gaseous state by heat exchange with the exhaust gas EG. In other words, the superheater 144 heats the ammonia gas FG without causing a phase change.
燃料加熱ライン140は、上述した予熱器142、蒸発器143、及び過熱器144の順にアンモニアを通過させている。燃料加熱ライン140で生成されたアンモニアガスFGは、ガス燃料供給ライン147を介して、ガス燃料圧縮機(投入媒体圧縮部)148に供給される。ガス燃料圧縮機148は、燃料加熱ライン140で生成されたアンモニアガスFGを圧縮し、ガスタービン110に供給する。つまり、ガス燃料圧縮機148は、第二排熱回収ボイラ141を経て、ガスタービン110に供給される直前のアンモニアガスFGを昇圧している。ガス燃料圧縮機148は、アンモニアガスFGを気体状態のまま燃焼器113への投入圧力まで昇圧する。ガス燃料圧縮機148で昇圧されたアンモニアガスFGは、他の装置を経由することなく、燃焼器113へ直接供給される。 The fuel heating line 140 passes ammonia through the preheater 142, evaporator 143, and superheater 144 in that order. The ammonia gas FG generated in the fuel heating line 140 is supplied to the gas fuel compressor (input medium compression unit) 148 via the gas fuel supply line 147. The gas fuel compressor 148 compresses the ammonia gas FG generated in the fuel heating line 140 and supplies it to the gas turbine 110. In other words, the gas fuel compressor 148 pressurizes the ammonia gas FG just before it is supplied to the gas turbine 110 after passing through the second waste heat recovery boiler 141. The gas fuel compressor 148 pressurizes the ammonia gas FG in its gaseous state to the input pressure for the combustor 113. The ammonia gas FG pressurized by the gas fuel compressor 148 is supplied directly to the combustor 113 without passing through any other devices.
図2及び図3に示すように、排気ガスEGは、第一排熱回収ボイラ131で水との熱交換によって蒸気を生成する。蒸気生成する過程で、排気ガスEGの温度は、次第に低下していく(図3における点P10→点P11)。復水器125から給水ポンプ127を経て第一排熱回収ボイラ131に供給される水は、第一排熱回収ボイラ131での排気ガスEGとの熱交換により、加熱されて蒸気となる。その結果、水(蒸気)の温度は、排気ガスEGの温度とは逆に、次第に上昇していく(図3における点P20→点P21、実際には水の蒸発が発生する等、より複雑である。ここでは簡略化し、点P20と点P21を直線(破線)で接続して示す)。第一排熱回収ボイラ131で温度低下した排気ガスEGは、第二排熱回収ボイラ141に供給される。 As shown in Figures 2 and 3, the exhaust gas EG generates steam in the first heat recovery boiler 131 through heat exchange with water. During the steam generation process, the temperature of the exhaust gas EG gradually decreases (points P10 to P11 in Figure 3). The water supplied from the condenser 125 to the first heat recovery boiler 131 via the feedwater pump 127 is heated and turned into steam through heat exchange with the exhaust gas EG in the first heat recovery boiler 131. As a result, the temperature of the water (steam) gradually increases, contrary to the temperature of the exhaust gas EG (points P20 to P21 in Figure 3; in reality, this is more complex due to water evaporation, etc. Here, for simplicity, points P20 and P21 are connected by a straight line (dashed line)). The exhaust gas EG, whose temperature has decreased in the first heat recovery boiler 131, is supplied to the second heat recovery boiler 141.
排気ガスEGは、第二排熱回収ボイラ141で、過熱器144、蒸発器143、予熱器142を順次通過していく。その際、液体アンモニアFL又はアンモニアガスFGとの熱交換によって、排気ガスEGの温度は、さらに低下していく(図3における点P11→点P12→点P13→点P14)。第二排熱回収ボイラ141を経た排気ガスEGは、煙突150から大気中に排出される。 The exhaust gas EG passes sequentially through the superheater 144, evaporator 143, and preheater 142 in the second heat recovery boiler 141. During this process, the temperature of the exhaust gas EG further decreases due to heat exchange with liquid ammonia FL or ammonia gas FG (points P11 → P12 → P13 → P14 in Figure 3). The exhaust gas EG, having passed through the second heat recovery boiler 141, is discharged into the atmosphere through the chimney 150.
液体アンモニアFLは、液体アンモニア供給源から燃料加熱ライン140へ供給される間に、液体燃料圧縮部146で圧縮される(図3における点P1まで)。液体アンモニアFLは、液体燃料圧縮部146により、液体アンモニアFLの飽和温度が、排気ガスEGに含まれる水分の露点Pr(図3参照)未満となる範囲で圧縮される。 Liquid ammonia FL is compressed in the liquid fuel compression unit 146 (up to point P1 in Figure 3) while being supplied from the liquid ammonia supply source to the fuel heating line 140. The liquid ammonia FL is compressed by the liquid fuel compression unit 146 to a range where its saturation temperature is below the dew point Pr of water contained in the exhaust gas EG (see Figure 3).
圧縮された液体アンモニアFLは、燃料加熱ライン140に供給される。液体アンモニアFLは、燃料加熱ライン140では、まず、予熱器142を通過し、排気ガスEGとの熱交換によって加熱されて、液体状態のまま昇温される(図3における点P1→点P2)。加熱後の液体アンモニアFLの温度(図3における点P2)は、排気ガスEGに含まれる水分の露点Prよりも、予め設定された温度差だけ低い温度とされている。一方、排気ガスEGは、第一排熱回収ボイラ131、過熱器144、及び蒸発器143を経ることで、排気ガスEGに含まれる水分の露点Pr以下の温度(図3における点P13)まで低下している。排気ガスEGは、予熱器142で、液体アンモニアFLとの熱交換により、より低い温度(図3における点P14)まで低下する。 The compressed liquid ammonia FL is supplied to the fuel heating line 140. In the fuel heating line 140, the liquid ammonia FL first passes through the preheater 142, where it is heated through heat exchange with the exhaust gas EG, and its temperature rises while remaining in a liquid state (points P1 to P2 in Figure 3). The temperature of the heated liquid ammonia FL (point P2 in Figure 3) is set to a temperature lower than the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG by a predetermined temperature difference. Meanwhile, the exhaust gas EG passes through the first waste heat recovery boiler 131, superheater 144, and evaporator 143, reducing its temperature to below the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG (point P13 in Figure 3). The exhaust gas EG then further decreases to an even lower temperature (point P14 in Figure 3) through heat exchange with the liquid ammonia FL in the preheater 142.
予熱器142で加熱された液体アンモニアFLは、蒸発器143で、排気ガスEGとの熱交換によりさらに加熱される。蒸発器143は、ガス化されるまで液体アンモニアFLを加熱し、アンモニアガスFGを生成している(図3における点P2→点P3)。つまり、蒸発器143は、液体アンモニアFLを気体へと相変化させてアンモニアガスFGを生成している。一方で、排気ガスEGは、蒸発器143に供給された時点では、第一排熱回収ボイラ131及び過熱器144を経ることで温度が低下しているものの、排気ガスEGに含まれる水分の露点Prよりも高い温度となっている(図3における点P12)。その後、排気ガスEGは、蒸発器143で、液体アンモニアFLと熱交換することにより、排気ガスEGに含まれる水分の露点Prまで温度が低下する。その結果、排気ガスEGに含まれる水分が凝縮する(図3における点P12→点Pr→点P13)。 The liquid ammonia FL, heated in the preheater 142, is further heated in the evaporator 143 through heat exchange with the exhaust gas EG. The evaporator 143 heats the liquid ammonia FL until it is vaporized, generating ammonia gas FG (points P2 to P3 in Figure 3). In other words, the evaporator 143 generates ammonia gas FG by changing the phase of liquid ammonia FL into a gas. Meanwhile, the exhaust gas EG, upon being supplied to the evaporator 143, has decreased in temperature after passing through the first waste heat recovery boiler 131 and the superheater 144, but is still higher than the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG (point P12 in Figure 3). Subsequently, the exhaust gas EG cools down to the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG through heat exchange with the liquid ammonia FL in the evaporator 143. As a result, the water contained in the exhaust gas EG condenses (points P12 to Pr to P13 in Figure 3).
蒸発器143で生成されたアンモニアガスFGは、過熱器144における排気ガスEGとの熱交換により、さらに加熱される。(図3における点P3→点P4)。過熱器144では、アンモニアガスFGは気体状態のまま相変化することなく加熱される。過熱器144を経ることで、アンモニアガスFGの温度(図3における点P4)は排気ガスEGの温度(図3における点P11)よりもわずかに低い温度となっている。一方、排気ガスEGは、過熱器144でのアンモニアガスFGとの熱交換により、温度が低下する(図3における点P11→点P12)。過熱器144から排出されて蒸発器143に供給される排気ガスEGの温度(点P12)は、排気ガスEGに含まれる水分の露点Prよりも高くなっている。 The ammonia gas FG generated in the evaporator 143 is further heated by heat exchange with the exhaust gas EG in the superheater 144 (points P3 to P4 in Figure 3). In the superheater 144, the ammonia gas FG is heated without undergoing a phase change while remaining in a gaseous state. After passing through the superheater 144, the temperature of the ammonia gas FG (point P4 in Figure 3) is slightly lower than the temperature of the exhaust gas EG (point P11 in Figure 3). On the other hand, the temperature of the exhaust gas EG decreases due to heat exchange with the ammonia gas FG in the superheater 144 (points P11 to P12 in Figure 3). The temperature of the exhaust gas EG discharged from the superheater 144 and supplied to the evaporator 143 (point P12) is higher than the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG.
過熱器144を経たアンモニアガスFGは、ガス燃料供給ライン147を経て、ガス燃料圧縮機148へと送られる。ガス燃料圧縮機148で、アンモニアガスFGは、燃焼器113への投入圧力まで昇圧される。その後、ガス燃料圧縮機148で昇圧されたアンモニアガスFGは、他の装置を経由することなく、ガスタービン110へと供給される。ガスタービン110では、供給されたアンモニアガスFGを燃料として駆動されて排気ガスEGを生成する。その後、排気ガスEGは、第一排熱回収ボイラ131に供給される。 The ammonia gas FG, having passed through the superheater 144, is sent to the gas fuel compressor 148 via the gas fuel supply line 147. In the gas fuel compressor 148, the ammonia gas FG is pressurized to the pressure required for input to the combustor 113. The pressurized ammonia gas FG from the gas fuel compressor 148 is then supplied to the gas turbine 110 without passing through any other equipment. The gas turbine 110 is driven using the supplied ammonia gas FG as fuel to generate exhaust gas EG. The exhaust gas EG is then supplied to the first waste heat recovery boiler 131.
(作用効果)
上記構成の熱機関システム100では、ガスタービン110は、アンモニアガスFGによって駆動されることで、排気ガスEGを生成する。ガスタービン110で生成された排気ガスEGは、第一排熱回収ボイラ131に供給される。第一排熱回収ボイラ131では、排気ガスEGの熱エネルギーを利用して、水から蒸気を生成する。蒸気の生成に利用された排気ガスEGは、温度が低下した状態で、第二排熱回収ボイラ141に供給される。また、液体燃料供給部145から燃料加熱ライン140に液体アンモニアFLが供給される。第二排熱回収ボイラ141では、液体燃料供給部145から供給された液体アンモニアFLと排気ガスEGとの熱交換により、液体アンモニアFLを加熱する。第二排熱回収ボイラ141は、液体アンモニアFLを加熱して相変化させ、アンモニアガスFGを生成する。第二排熱回収ボイラ141で生成されたアンモニアガスFGは、燃料加熱ライン140からガス燃料圧縮機148に供給される。ガス燃料圧縮機148は、アンモニアガスFGを圧縮し、ガスタービン110に供給する。また、燃料加熱ライン140は、第二排熱回収ボイラ141を通過する排気ガスEGの温度が排気ガスEGに含まれる水分の露点Pr以下となる温度領域である露点以下領域141aに配置されている。このため、燃料加熱ライン140において、排気ガスEGとの熱交換によって液体アンモニアFLを加熱する際、排気ガスEGに含まれる水分が凝縮するときの熱エネルギーである潜熱を利用することができる。このように、液体アンモニアFLを加熱して相変化させ、アンモニアガスFGを生成する際に、通常の熱交換で利用される排気ガスEGの顕熱だけでなく、排気ガスEGに含まれる水分が凝縮する際の潜熱を利用することが可能となる。これにより、排気ガスEGの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。したがって、従来、排気ガスEGと共に捨てられることが多かった、排気ガスEG中の水分を相変化させる際に発生する大量の熱を有効に活用して、液体アンモニアFLを相変化させるのに必要な大量の熱を効果的に供給することが可能となる。即ち、熱媒体である排気ガスEG中の水分を高エンタルピーの相(気体)から低エンタルピーの相(液体)に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体である液体アンモニアFLを低エンタルピーの相(液体)から高エンタルピーの相(気体)に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能となる。
(Effects)
In the heat engine system 100 with the above configuration, the gas turbine 110 is driven by ammonia gas FG to generate exhaust gas EG. The exhaust gas EG generated by the gas turbine 110 is supplied to the first waste heat recovery boiler 131. The first waste heat recovery boiler 131 uses the thermal energy of the exhaust gas EG to generate steam from water. The exhaust gas EG used to generate steam is supplied to the second waste heat recovery boiler 141 at a reduced temperature. Liquid ammonia FL is also supplied from the liquid fuel supply unit 145 to the fuel heating line 140. In the second waste heat recovery boiler 141, the liquid ammonia FL supplied from the liquid fuel supply unit 145 is heated by heat exchange with the exhaust gas EG. The second waste heat recovery boiler 141 heats the liquid ammonia FL to cause a phase change and generates ammonia gas FG. The ammonia gas FG generated in the second waste heat recovery boiler 141 is supplied from the fuel heating line 140 to the gas fuel compressor 148. The gas fuel compressor 148 compresses ammonia gas FG and supplies it to the gas turbine 110. The fuel heating line 140 is located in the dew point region 141a, which is the temperature range where the temperature of the exhaust gas EG passing through the second waste heat recovery boiler 141 is below the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG. Therefore, when heating liquid ammonia FL through heat exchange with exhaust gas EG in the fuel heating line 140, the latent heat, which is the thermal energy released when the water contained in the exhaust gas EG condenses, can be utilized. In this way, when heating liquid ammonia FL to cause a phase change and generate ammonia gas FG, it is possible to utilize not only the sensible heat of the exhaust gas EG that is normally used in heat exchange, but also the latent heat released when the water contained in the exhaust gas EG condenses. This allows for the efficient use of the thermal energy of the exhaust gas EG without waste. Consequently, it is possible to effectively utilize the large amount of heat generated when the water in the exhaust gas EG undergoes a phase change, which was previously often discarded along with the exhaust gas EG, and to effectively supply the large amount of heat necessary to cause a phase change in liquid ammonia FL. In other words, by effectively utilizing the waste heat generated when the water in the exhaust gas EG, which is the heat transfer medium, undergoes a phase change from a high-enthalpy phase (gas) to a low-enthalpy phase (liquid), it becomes possible to effectively supply the large amount of heat required when the liquid ammonia FL, which is the input medium, undergoes a phase change from a low-enthalpy phase (liquid) to a high-enthalpy phase (gas).
また、熱機関システム100では、液体燃料圧縮部146によって、燃料加熱ライン140に供給される前の液体アンモニアFLが、液体アンモニアFLの飽和温度を、排気ガスEGに含まれる水分の露点Pr未満となる範囲で圧縮される。したがって、燃料加熱ライン140で液体アンモニアFLからアンモニアガスFGが生成される際に、排気ガスEGに含まれる水分が凝縮する際の潜熱を利用することが妨げられない。その結果、排気ガスEG中の水分を凝縮させつつ、排気ガスEGと液体アンモニアFLを熱交換させ、液体アンモニアFLを気化させることができる。従って、排気ガスEG中の水分が凝縮する際に発生する潜熱を使って液体アンモニアFLを気化するのに必要な大量の熱を供給することができる。さらに、液体アンモニアFLが昇圧されていることで、燃料加熱ライン140からガス燃料圧縮機148に供給されるアンモニアガスFGも昇圧された状態となっている。そのため、燃焼器113への投入圧力までアンモニアガスFGを昇圧させるためのガス燃料圧縮機148の動力を低減することができる。これにより、ガス燃料圧縮機148の設置コストを抑えることができる。 Furthermore, in the heat engine system 100, the liquid ammonia FL before being supplied to the fuel heating line 140 is compressed by the liquid fuel compression unit 146 to a range where the saturation temperature of the liquid ammonia FL is below the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG. Therefore, when ammonia gas FG is generated from liquid ammonia FL in the fuel heating line 140, the latent heat generated when the water contained in the exhaust gas EG condenses is not prevented from being utilized. As a result, the water in the exhaust gas EG is condensed, heat exchange occurs between the exhaust gas EG and the liquid ammonia FL, and the liquid ammonia FL can be vaporized. Therefore, a large amount of heat necessary to vaporize the liquid ammonia FL can be supplied using the latent heat generated when the water in the exhaust gas EG condenses. Moreover, because the liquid ammonia FL is pressurized, the ammonia gas FG supplied from the fuel heating line 140 to the gas fuel compressor 148 is also pressurized. Therefore, the power of the gas fuel compressor 148 required to pressurize the ammonia gas FG to the input pressure to the combustor 113 can be reduced. This reduces the installation cost of the gas fuel compressor 148.
また、熱機関システム100では、蒸発器143は、液体アンモニアFLと排気ガスEGとを熱交換している。これにより、液体アンモニアFLは気化してアンモニアガスFGとなる。同時に、排気ガスEGに含まれる水分が凝縮する。このように、燃料加熱ライン140が蒸発器143を利用することで、排気ガスEGに含まれる水分の潜熱を利用して液体アンモニアFLからアンモニアガスFGを生成する構造を容易に設置できる。 Furthermore, in the heat engine system 100, the evaporator 143 exchanges heat between liquid ammonia FL and exhaust gas EG. As a result, the liquid ammonia FL vaporizes into ammonia gas FG. Simultaneously, the water contained in the exhaust gas EG condenses. Thus, by utilizing the evaporator 143 in the fuel heating line 140, a structure can be easily installed that generates ammonia gas FG from liquid ammonia FL using the latent heat of the water contained in the exhaust gas EG.
また、熱機関システム100では、予熱器142は、蒸発器143で液体アンモニアFLと熱交換することで温度が低下した排気ガスEGとの熱交換によって、液体アンモニアFLを液体状態のまま加熱する。これにより、アンモニアガスFGを生成するために液体アンモニアFLと熱交換した排気ガスEGの熱エネルギーをさらに利用することができる。また、予熱器142で液体アンモニアFLの温度が上昇することで、蒸発器143で液体アンモニアFLを気化させるために必要な熱エネルギーが少なくなる。したがって、液体アンモニアFLを相変化させる際の熱交換効率を更に高めることができる。 Furthermore, in the heat engine system 100, the preheater 142 heats the liquid ammonia FL while it remains in a liquid state by exchanging heat with the exhaust gas EG, whose temperature has decreased after heat exchange with the liquid ammonia FL in the evaporator 143. This allows for further utilization of the thermal energy of the exhaust gas EG that has exchanged heat with the liquid ammonia FL to generate ammonia gas FG. Additionally, the increase in the temperature of the liquid ammonia FL in the preheater 142 reduces the thermal energy required to vaporize the liquid ammonia FL in the evaporator 143. Therefore, the heat exchange efficiency during the phase change of liquid ammonia FL can be further improved.
また、熱機関システム100では、過熱器144は、蒸発器143に供給される前の排気ガスEGとの熱交換によって、蒸発器143で生成されたアンモニアガスFGの温度をさらに上昇させている。これにより、蒸発器143に供給される前の排気ガスEGから、熱エネルギーを得て、蒸発器143で生成されたアンモニアガスFGの温度を上昇させることができる。過熱器144でアンモニアガスFGとの熱交換を行うことにより、蒸発器143に供給される排気ガスEGの温度が低下する。そのため、蒸発器143に供給される排気ガスEGの温度が過度に高くなり過ぎることを抑え、排気ガスEGの温度が排気ガスEGに含まれる水分の露点Pr以下となる温度領域である露点以下領域141aを、第二排熱回収ボイラ141内で実現しやすくなる。さらに、燃料加熱ライン140からガス燃料圧縮機148に供給されるアンモニアガスFGの温度が高くなっている。そのため、ガス燃料圧縮機148の出口、即ち、燃焼器113の入口におけるアンモニアガスFGの温度も高くなる。従って、燃焼器113に投入されるアンモニアガスFGの保有熱量が増大し、燃料であるアンモニアガスFGの消費量を削減することができる。従って、熱機関システム100の効率を高めることができる。 Furthermore, in the heat engine system 100, the superheater 144 further increases the temperature of the ammonia gas FG produced in the evaporator 143 by exchanging heat with the exhaust gas EG before it is supplied to the evaporator 143. This allows the superheater 144 to obtain thermal energy from the exhaust gas EG before it is supplied to the evaporator 143, thereby increasing the temperature of the ammonia gas FG produced in the evaporator 143. By exchanging heat with the ammonia gas FG in the superheater 144, the temperature of the exhaust gas EG supplied to the evaporator 143 decreases. Therefore, this prevents the temperature of the exhaust gas EG supplied to the evaporator 143 from becoming excessively high, making it easier to achieve the dew point region 141a within the second waste heat recovery boiler 141, where the temperature of the exhaust gas EG is below the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG. In addition, the temperature of the ammonia gas FG supplied from the fuel heating line 140 to the gas fuel compressor 148 is increased. Therefore, the temperature of the ammonia gas FG at the outlet of the gas fuel compressor 148, i.e., at the inlet of the combustor 113, also increases. Consequently, the heat content of the ammonia gas FG fed into the combustor 113 increases, and the consumption of ammonia gas FG as fuel can be reduced. Therefore, the efficiency of the heat engine system 100 can be improved.
また、熱機関システム100では、ガスタービン110であるガスタービン110から排出される排気ガスEGの排熱を利用し、第一排熱回収ボイラ131で蒸気タービン120を駆動するための蒸気を相変化により生成している。その後、燃料加熱ライン140では、第一排熱回収ボイラ131で蒸気の生成に利用されて温度の低下した排気ガスEGの排熱を利用し、アンモニアガスFGを生成している。このように排気ガスEGの熱エネルギーを蒸気及びアンモニアガスFGの生成に利用することで、排気ガスEGの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。 Furthermore, in the heat engine system 100, the waste heat from the exhaust gas EG discharged from the gas turbine 110 is used to generate steam for driving the steam turbine 120 in the first waste heat recovery boiler 131 through a phase change. Subsequently, in the fuel heating line 140, the waste heat from the exhaust gas EG, whose temperature has decreased after being used to generate steam in the first waste heat recovery boiler 131, is used to generate ammonia gas FG. In this way, the thermal energy of the exhaust gas EG is used to generate steam and ammonia gas FG, allowing for the efficient and complete utilization of the exhaust gas EG's thermal energy.
(第一実施形態の変形例)
なお、上記第一実施形態において、液体アンモニアFLを気化させる燃料加熱ライン140は、第一排熱回収ボイラ131よりも排気ガスEGの流れ方向の下流側に配置された第二排熱回収ボイラ141のみに配置されていた。しかしながら、燃料加熱ライン140の構成はこのような形態に限定されるものではない。例えば、排気ガスEGの温度が排気ガスEGに含まれる水分の露点Pr以下となる温度領域である露点以下領域が第一排熱回収ボイラ131内に配置されているのであれば、燃料加熱ライン140は、第一排熱回収ボイラ131内を通過するように配置されてもよい。その際には、例えば、低圧節炭器132を二つに分けて、その間に液体アンモニアFLを気化させる装置を別途配置させてもよい。
(Modification of the first embodiment)
In the first embodiment described above, the fuel heating line 140 for vaporizing liquid ammonia FL was located only in the second waste heat recovery boiler 141, which is located downstream of the first waste heat recovery boiler 131 in the flow direction of the exhaust gas EG. However, the configuration of the fuel heating line 140 is not limited to this form. For example, if the dew point region, which is the temperature range in which the temperature of the exhaust gas EG is below the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG, is located within the first waste heat recovery boiler 131, the fuel heating line 140 may be arranged to pass through the first waste heat recovery boiler 131. In that case, for example, the low-pressure economizer 132 may be divided into two, and a device for vaporizing liquid ammonia FL may be separately arranged between them.
また、上記第一実施形態において、燃料加熱ライン140は、液体アンモニアFLと排気ガスEGを直接熱交換させていた。しかしながら、燃料加熱ライン140の構成はこのような形態に限定されるものではない。例えば、排気ガスEGによって加熱された中間熱輸送媒体を用いて液体アンモニアFLを加熱、気化させても良い。中間熱輸送媒体としては、例えば、水、各種油、各種アルコール、等を用いることができる。 Furthermore, in the first embodiment described above, the fuel heating line 140 directly exchanged heat between liquid ammonia FL and exhaust gas EG. However, the configuration of the fuel heating line 140 is not limited to this form. For example, the liquid ammonia FL may be heated and vaporized using an intermediate heat transport medium heated by the exhaust gas EG. Examples of intermediate heat transport mediums include water, various oils, various alcohols, etc.
また、上記第一実施形態において、アンモニアガスFGによって駆動されて排気ガスEGを生成する熱機関として、ガスタービン110を例示したが、ガスタービン110以外の装置を採用してもよい。アンモニアガスFGによって駆動されて排気ガスEGを生成する熱機関としては、例えば、レシプロエンジンや燃料電池等が挙げられる。 Furthermore, in the first embodiment described above, a gas turbine 110 was exemplified as the heat engine driven by ammonia gas FG to generate exhaust gas EG. However, other devices may be used. Examples of heat engines driven by ammonia gas FG to generate exhaust gas EG include reciprocating engines and fuel cells.
また、上記第一実施形態において、液体燃料として液体アンモニアFL、ガス燃料としてアンモニアガスFGを例示したが、これ以外の流体を採用してもよい。相変化する液体燃料及びガス燃料としては、例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等を採用してもよい。 Furthermore, while liquid ammonia (FL) was used as the liquid fuel and ammonia gas (FG) as the gaseous fuel in the first embodiment described above, other fluids may be used. Examples of phase-changing liquid and gaseous fuels include methanol, ethanol, dimethyl ether, and the like.
<第二実施形態>
次に、本開示に係る熱機関システムの第二実施形態について説明する。なお、以下に説明する第二実施形態においては、上記第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the heat engine system according to this disclosure will be described. In the second embodiment described below, components common to the first embodiment are denoted by the same reference numerals in the figures and their descriptions are omitted.
図4に示すように、第二実施形態の熱機関システム200は、アンモニア(NH3)と二酸化炭素(CO2)とを化学反応により合成し、尿素(NH2CONH2)を生成する尿素合成プラントである。熱機関システム200は、尿素合成設備210と、第一熱交換部(熱交換部)243と、第二熱交換部245と、第一圧縮部247と、第二圧縮部248と、ガス圧縮部(投入媒体圧縮部)249と、を備えている。つまり、熱機関システム200は、投入対象機関である尿素合成設備210に対して投入される前の投入媒体である液体アンモニア(液体状態のアンモニア)FLを加熱してアンモニアガス(気体状態のアンモニア)FGへと相変化させている。 As shown in Figure 4, the heat engine system 200 of the second embodiment is a urea synthesis plant that synthesizes urea ( NH₂CONH₂ ) by chemical reaction between ammonia ( NH₃ ) and carbon dioxide ( CO₂ ). The heat engine system 200 comprises a urea synthesis facility 210, a first heat exchange section (heat exchange unit) 243, a second heat exchange section 245, a first compression section 247, a second compression section 248, and a gas compression section (input medium compression section) 249. In other words, the heat engine system 200 heats liquid ammonia (ammonia in liquid state) FL, which is the input medium before it is fed into the urea synthesis facility 210, which is the engine to be fed into, to change its phase to ammonia gas (ammonia in gaseous state) FG.
尿素合成設備210は、下式(1)に示すように、投入媒体であるアンモニアガス(気体状態のアンモニア)FGと、二酸化炭素ガスCGとを化学反応により合成し、液体状態の尿素(NH2CONH2)Mを生成する。
2NH3+CO2→NH2CONH2+H2O …(1)
本実施形態の熱機関システム200では、上式(1)により、尿素合成設備210で生成された液体状態の尿素Mを、熱媒体として用いる。液体状態の尿素Mは、合成反応前のアンモニアガスFG及び二酸化炭素ガスCGよりも高温である。
As shown in equation (1) below, the urea synthesis equipment 210 chemically synthesizes ammonia gas (ammonia in gaseous state) FG and carbon dioxide gas CG, which are input media, to produce liquid urea ( NH₂CONH₂ )M.
2NH 3 +CO 2 →NH 2 CONH 2 +H 2 O…(1)
In the heat engine system 200 of this embodiment, liquid urea M produced in the urea synthesis equipment 210 according to the above formula (1) is used as the heat transfer medium. Liquid urea M is at a higher temperature than ammonia gas FG and carbon dioxide gas CG before the synthesis reaction.
第一熱交換部243及び第二熱交換部245は、尿素合成設備210で生成された液体状態の尿素Mの排熱(熱エネルギー)を回収する。第一熱交換部243は、尿素合成設備210から排出され、液体アンモニアFLよりも高温の液体状態の尿素Mと、液体アンモニアFLとを熱交換させる。第一熱交換部243は、液体状態の尿素Mと液体アンモニアFLとの熱交換により、液体状態の尿素Mの相変化及び液体アンモニアFLの相変化を生じさせる。すなわち、第一熱交換部243において、液体アンモニアFLは、相変化して気化し、アンモニアガスFGが生成される。一方、第一熱交換部243において、液体状態の尿素Mは、相変化して凝固し、固体状態の尿素が生成される。第一熱交換部243は、生成したアンモニアガスFGをガス圧縮部249に供給する。 The first heat exchange unit 243 and the second heat exchange unit 245 recover the waste heat (thermal energy) from the liquid urea M produced in the urea synthesis facility 210. The first heat exchange unit 243 exchanges heat between the liquid urea M, which is discharged from the urea synthesis facility 210 and is at a higher temperature than liquid ammonia FL, and the liquid ammonia FL. The heat exchange between the liquid urea M and liquid ammonia FL in the first heat exchange unit 243 causes phase changes in both the liquid urea M and the liquid ammonia FL. Specifically, in the first heat exchange unit 243, the liquid ammonia FL undergoes a phase change and vaporizes, generating ammonia gas FG. Meanwhile, in the first heat exchange unit 243, the liquid urea M undergoes a phase change and solidifies, generating solid urea. The first heat exchange unit 243 supplies the generated ammonia gas FG to the gas compression unit 249.
第一圧縮部247は、第一熱交換部243に供給される前の液体アンモニアFLを圧縮する。第一圧縮部247は、液体アンモニアタンク等の液体アンモニア供給源(図示せず)から供給される液体アンモニアFLを液体状態のまま圧縮する。本実施形態の第一圧縮部247は、ポンプである。第一圧縮部247は、液体アンモニアFLの飽和温度が、第一熱交換部243に送り込まれる液体状態の尿素Mの凝固点(例えば133~135℃)以下となる範囲で、第一熱交換部243に供給される液体アンモニアFLを圧縮する。つまり、第一熱交換部243に送り込まれる尿素Mの凝固点をTmsとすると、液体アンモニアFLの飽和温度がTmsとなる圧力よりも低い圧力まで、第一圧縮部247、即ちポンプは、液体アンモニアFLを圧縮する。 The first compression unit 247 compresses the liquid ammonia FL before it is supplied to the first heat exchange unit 243. The first compression unit 247 compresses the liquid ammonia FL supplied from a liquid ammonia supply source (not shown), such as a liquid ammonia tank, while it remains in a liquid state. In this embodiment, the first compression unit 247 is a pump. The first compression unit 247 compresses the liquid ammonia FL supplied to the first heat exchange unit 243 within a range where the saturation temperature of the liquid ammonia FL is below the freezing point of the liquid urea M supplied to the first heat exchange unit 243 (for example, 133-135°C). In other words, if the freezing point of the urea M supplied to the first heat exchange unit 243 is Tms, the first compression unit 247, i.e., the pump, compresses the liquid ammonia FL to a pressure lower than the pressure at which the saturation temperature of the liquid ammonia FL reaches Tms.
ガス圧縮部249は、第一熱交換部243で液体状態から気体状態へと相変化したアンモニアガスFGを圧縮して尿素合成設備210に供給する。つまり、ガス圧縮部249は、第一熱交換部243を経て、尿素合成設備210に供給される直前のアンモニアガスFGを昇圧している。ガス圧縮部249は、アンモニアガスFGを気体状態のまま尿素合成設備210への投入圧力まで昇圧する。ガス圧縮部249で昇圧されたアンモニアガスFGは、他の装置を経由することなく、尿素合成設備210へ直接供給される。 The gas compression unit 249 compresses the ammonia gas FG, which has undergone a phase change from liquid to gaseous state in the first heat exchange unit 243, and supplies it to the urea synthesis plant 210. In other words, the gas compression unit 249 increases the pressure of the ammonia gas FG just before it is supplied to the urea synthesis plant 210, after passing through the first heat exchange unit 243. The gas compression unit 249 increases the pressure of the ammonia gas FG in its gaseous state to the input pressure for the urea synthesis plant 210. The ammonia gas FG, pressurized in the gas compression unit 249, is supplied directly to the urea synthesis plant 210 without passing through any other devices.
一方、尿素合成設備210に供給される液体二酸化炭素CLは、第二熱交換部245から供給される。第二熱交換部245は、尿素合成設備210から排出され、液体二酸化炭素CLよりも高温の液体状態の尿素Mと、液体二酸化炭素CLとを熱交換させる。第二熱交換部245は、液体二酸化炭素CLと液体状態の尿素Mとの熱交換により、液体状態の尿素Mの相変化及び液体二酸化炭素CLの相変化を生じさせる。すなわち、第二熱交換部245において、液体二酸化炭素CLは、相変化して気化し、二酸化炭素ガスCGが生成される。一方、第二熱交換部245において、液体状態の尿素Mは、相変化して凝固し、固体状態の尿素が生成される。 Meanwhile, the liquid carbon dioxide (CL) supplied to the urea synthesis equipment 210 is supplied from the second heat exchange unit 245. The second heat exchange unit 245 exchanges heat between liquid carbon dioxide (CL) and urea (M), which is discharged from the urea synthesis equipment 210 and is in a higher temperature than the liquid carbon dioxide (CL). The second heat exchange unit 245 causes phase changes in both the liquid urea (M) and the liquid carbon dioxide (CL) through heat exchange between the liquid carbon dioxide (CL) and the liquid urea (M). Specifically, in the second heat exchange unit 245, the liquid carbon dioxide (CL) undergoes a phase change and vaporizes, generating carbon dioxide gas (CG). Conversely, in the second heat exchange unit 245, the liquid urea (M) undergoes a phase change and solidifies, generating solid urea.
第二圧縮部248は、第二熱交換部245に供給される前の液体二酸化炭素CLを圧縮する。第二圧縮部248は、液体に炭化炭素タンク等の液体二酸化炭素供給源(図示せず)から供給される液体二酸化炭素CLを液体状態のまま圧縮する。本実施形態の第二圧縮部248は、ポンプである。第二圧縮部248は、液体二酸化炭素CLの飽和温度が、第二熱交換部245に送り込まれる液体状態の尿素Mの凝固点(例えば133~135℃)以下となる範囲で、第二熱交換部245に供給される液体アンモニアFLを圧縮する。つまり、第二熱交換部245に送り込まれる尿素Mの凝固点をTms2とすると、液体二酸化炭素CLの擬臨界温度がTms2となる圧力よりも低い圧力まで、第二圧縮部248、即ちポンプは、液体アンモニアFLを圧縮する。 The second compression unit 248 compresses the liquid carbon dioxide (CL) before it is supplied to the second heat exchange unit 245. The second compression unit 248 compresses the liquid carbon dioxide (CL) supplied from a liquid carbon dioxide supply source (not shown), such as a carbon dioxide tank, while it remains in a liquid state. In this embodiment, the second compression unit 248 is a pump. The second compression unit 248 compresses the liquid ammonia (FL) supplied to the second heat exchange unit 245 within a range where the saturation temperature of the liquid carbon dioxide (CL) is below the freezing point of the liquid urea (M) supplied to the second heat exchange unit 245 (e.g., 133-135°C). In other words, if the freezing point of the urea (M) supplied to the second heat exchange unit 245 is Tms2, the second compression unit 248, i.e., the pump, compresses the liquid ammonia (FL) to a pressure lower than the pressure at which the pseudocritical temperature of the liquid carbon dioxide (CL) reaches Tms2.
(作用効果)
上述したような熱機関システム200によれば、第一圧縮部247で圧縮された液体アンモニアFLは、第一熱交換部243において、尿素合成設備210から排出された液体状態の尿素Mとの熱交換により、相変化(気化)する。また、液体状態の尿素Mは、液体アンモニアFLとの熱交換により、相変化(凝固)する。ガス圧縮部249は、第一熱交換部243で相変化して生成されたアンモニアガスFGを圧縮し、尿素合成設備210に投入する。このため、液体状態の尿素Mとの熱交換によって液体アンモニアFLを加熱、気化する際、液体状態の尿素Mが凝固するときの熱エネルギーである凝固熱を利用することができる。このように、液体状態の尿素Mが相変化する際の凝固熱を利用して液体アンモニアFLを相変化させることで、液体状態の尿素Mの熱エネルギーを潜熱も含めて余すことなく効果的に利用できる。したがって、熱媒体である液体状態の尿素Mを高エンタルピーの相(液体)から低エンタルピーの相(固体)に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体である液体アンモニアFLを低エンタルピーの相(液体)から高エンタルピーの相(気体)に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能となる。
(Effects)
According to the heat engine system 200 described above, the liquid ammonia FL compressed in the first compression unit 247 undergoes a phase change (vaporization) in the first heat exchange unit 243 through heat exchange with liquid urea M discharged from the urea synthesis equipment 210. The liquid urea M also undergoes a phase change (solidification) through heat exchange with the liquid ammonia FL. The gas compression unit 249 compresses the ammonia gas FG generated by the phase change in the first heat exchange unit 243 and feeds it into the urea synthesis equipment 210. Therefore, when heating and vaporizing the liquid ammonia FL through heat exchange with liquid urea M, the heat of solidification, which is the thermal energy released when the liquid urea M solidifies, can be utilized. In this way, by using the heat of solidification released when liquid urea M undergoes a phase change to induce the phase change of liquid ammonia FL, the thermal energy of the liquid urea M, including its latent heat, can be effectively utilized without waste. Therefore, by effectively utilizing the waste heat generated when urea M, which is in liquid state and acts as a heat transfer medium, undergoes a phase change from a high-enthalpy phase (liquid) to a low-enthalpy phase (solid), it becomes possible to effectively supply the large amount of heat required when liquid ammonia FL, which is the input medium, undergoes a phase change from a low-enthalpy phase (liquid) to a high-enthalpy phase (gas).
(その他の実施形態)
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
(Other embodiments)
Although embodiments of this disclosure have been described in detail above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to these embodiments and may include design changes and the like that do not depart from the gist of this disclosure.
なお、本実施形態における投入媒体はアンモニアに限定されるものではない、投入媒体は、熱機関を駆動させるガス燃料のように投入対象機関に投入される媒体であればよい。つまり、投入媒体は、アンモニア以外の物質であってもよい。同様に、熱媒体は、排気ガスEGや尿素であることに限定されるものではない。投入対象機関から排出され、投入媒体よりも高温の媒体であればよい。つまり、熱媒体は、排気ガスEGや尿素以外の物質であってもよい。 Furthermore, the input medium in this embodiment is not limited to ammonia; any medium that is introduced into the target engine, such as a gaseous fuel that drives a heat engine, may be used. In other words, the input medium may be a substance other than ammonia. Similarly, the heat transfer medium is not limited to exhaust gas EG or urea. Any medium that is discharged from the target engine and is at a higher temperature than the input medium may be used. In other words, the heat transfer medium may be a substance other than exhaust gas EG or urea.
また、上記実施形態における投入媒体の「相変化」の一形態である「気化」には、
1)臨界圧未満(亜臨界圧)の圧力で、飽和温度の投入媒体を加熱する場合、
2)臨界圧で、臨界温度以下の投入媒体を加熱し、臨界温度以上とする場合、
3)超臨界圧の圧力下で、擬臨界温度以下の投入媒体を、擬臨界温度以上に加熱する場合、を含む。上記(3)の、超臨界圧の圧力下で投入媒体を加熱する場合における、擬臨界温度とは、定圧比熱が極大となる温度である。
Furthermore, one form of "phase change" of the input medium in the above embodiment is "vaporization,"
1) When heating an input medium at saturation temperature at a pressure below critical pressure (subcritical pressure),
2) When heating an input medium below the critical temperature at critical pressure to above the critical temperature,
3) This includes cases where an input medium below a pseudocritical temperature is heated to a temperature above the pseudocritical temperature under supercritical pressure. In the case of heating the input medium under supercritical pressure as described in (3) above, the pseudocritical temperature is the temperature at which the specific heat at constant pressure is maximum.
具体的に、加熱される投入媒体(例えば、液体アンモニア)の圧力が臨界圧である場合、臨界圧において定圧比熱が極大となる温度、すなわち臨界温度(定圧比熱極大温度)以下の温度の投入媒体を、臨界温度以上の温度に加熱する。加熱される投入媒体の圧力が臨界圧よりも高い場合、加熱される投入媒体の圧力において定圧比熱が極大となる温度、すなわち擬臨界温度(定圧比熱極大温度)以下の温度の投入媒体を擬臨界温度以上の温度に加熱する。加熱される投入媒体の圧力が臨界圧よりも低い場合、投入媒体の圧力において定圧比熱が極大となる温度、すなわち飽和温度(定圧比熱極大温度)以下の温度の投入媒体を飽和温度以上の温度に加熱する。よって、投入媒体を気化させることで生成されるガス(例えば、アンモニアガス)とは、臨界圧において、臨界温度以下の温度の投入媒体が臨界温度以上の温度になった流体、又は、超臨界圧において、擬臨界温度以下の温度の投入媒体が擬臨界温度以上の温度になった流体、亜臨界圧において、飽和温度以下の温度の投入媒体が飽和温度以上の温度になった流体を含んでいる。 Specifically, if the pressure of the input medium to be heated (e.g., liquid ammonia) is at the critical pressure, the input medium is heated from a temperature below the critical temperature (temperature at which the specific heat at constant pressure is maximum) to a temperature above the critical temperature. If the pressure of the input medium to be heated is higher than the critical pressure, the input medium is heated from a temperature below the pseudocritical temperature (temperature at which the specific heat at constant pressure is maximum) to a temperature above the pseudocritical temperature. If the pressure of the input medium to be heated is lower than the critical pressure, the input medium is heated from a temperature below the saturation temperature (temperature at which the specific heat at constant pressure is maximum) to a temperature above the saturation temperature. Therefore, the gas produced by vaporizing the input medium (e.g., ammonia gas) includes a fluid in which, at critical pressure, the input medium, initially at a temperature below the critical temperature, reaches a temperature above the critical temperature; or, at supercritical pressure, the input medium, initially at a temperature below the pseudocritical temperature, reaches a temperature above the pseudocritical temperature; and, at subcritical pressure, the input medium, initially at a temperature below the saturation temperature, reaches a temperature above the saturation temperature.
また、上記実施形態における熱媒体の「相変化」の一形態である「凝縮」には、
1)臨界圧未満(亜臨界圧)の圧力で、飽和温度の投入媒体を冷却する場合、
2)臨界圧で、臨界温度以上の投入媒体を冷却し、臨界温度以下とする場合、
3)超臨界圧の圧力下で、擬臨界温度以上の投入媒体を、擬臨界温度以下に冷却する場合、を含む。上記(3)の、超臨界圧の圧力下で投入媒体を加熱する場合における、擬臨界温度とは、定圧比熱が極大となる温度である。
Furthermore, "condensation," which is one form of "phase change" of the heat transfer medium in the above embodiment,
1) When cooling an input medium at saturation temperature at a pressure below critical pressure (subcritical pressure),
2) When using critical pressure to cool an input medium above critical temperature to below critical temperature,
3) This includes cases where an input medium above a pseudocritical temperature is cooled to below a pseudocritical temperature under supercritical pressure. In the case of heating the input medium under supercritical pressure as described in (3) above, the pseudocritical temperature is the temperature at which the specific heat at constant pressure is maximum.
具体的に、冷却される熱媒体(例えば、気体アンモニア)の圧力が臨界圧である場合、臨界圧において定圧比熱が極大となる温度、すなわち臨界温度(定圧比熱極大温度)以上の温度の熱媒体を、臨界温度以下の温度に冷却する。冷却される熱媒体の圧力が臨界圧よりも高い場合、冷却される熱媒体の圧力において定圧比熱が極大となる温度、すなわち擬臨界温度(定圧比熱極大温度)以上の温度の熱媒体を擬臨界温度以下の温度に冷却する。冷却される熱媒体の圧力が臨界圧よりも低い場合、熱媒体の圧力において定圧比熱が極大となる温度、すなわち飽和温度(定圧比熱極大温度)以上の温度の熱媒体を飽和温度以下の温度に冷却する。よって、熱媒体を凝縮させることで生成される液(例えば、液体アンモニア)とは、臨界圧において、臨界温度以上の温度の熱媒体が臨界温度以下の温度になった流体、又は、超臨界圧において、擬臨界温度以上の温度の熱媒体が擬臨界温度以下の温度になった流体、亜臨界圧において、飽和温度以上の温度の熱媒体が飽和温度以下の温度になった流体を含んでいる。 Specifically, if the pressure of the heat transfer medium being cooled (e.g., gaseous ammonia) is at the critical pressure, the heat transfer medium is cooled from a temperature above the critical temperature (temperature at which the specific heat at constant pressure is maximized) to a temperature below the critical temperature. If the pressure of the heat transfer medium being cooled is higher than the critical pressure, the heat transfer medium is cooled from a temperature above the pseudocritical temperature (temperature at which the specific heat at constant pressure is maximized) to a temperature below the pseudocritical temperature. If the pressure of the heat transfer medium being cooled is lower than the critical pressure, the heat transfer medium is cooled from a temperature above the saturation temperature (temperature at which the specific heat at constant pressure is maximized) to a temperature below the saturation temperature. Therefore, the liquid produced by condensing a heat transfer medium (for example, liquid ammonia) includes a fluid in which, at critical pressure, a heat transfer medium at a temperature above the critical temperature has cooled to a temperature below the critical temperature; or, at supercritical pressure, a heat transfer medium at a temperature above the pseudocritical temperature has cooled to a temperature below the pseudocritical temperature; and, at subcritical pressure, a heat transfer medium at a temperature above the saturation temperature has cooled to a temperature below the saturation temperature.
<付記>
各実施形態に記載の熱機関システム100は、例えば以下のように把握される。
<Note>
The heat engine system 100 described in each embodiment can be understood, for example, as follows:
(1)第1の態様に係る熱機関システム100は、ガス燃料FGによって駆動されて排気ガスEGを生成する熱機関110と、前記排気ガスEGとの熱交換によって液体燃料FLを加熱することで、前記ガス燃料FGを生成する燃料加熱ライン140を有し、前記排気ガスEGの排熱を回収する排熱回収ボイラ141と、前記燃料加熱ライン140に前記液体燃料FLを供給する液体燃料供給部145と、前記燃料加熱ライン140で生成された前記ガス燃料FGを圧縮して前記熱機関110に供給するガス燃料圧縮機148と、を備え、前記燃料加熱ライン140の少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラ141において、前記排熱回収ボイラ141を通過する前記排気ガスEGの温度が前記排気ガスEGに含まれる水分の露点Pr以下となる温度領域である露点以下領域に配置されている。
熱機関110の例としては、ガスタービン、レシプロエンジン、燃料電池が挙げられる。
ガス燃料FG、液体燃料FLの例としては、アンモニア、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルが挙げられる。
(1) The heat engine system 100 according to the first embodiment includes a heat engine 110 driven by gaseous fuel FG to generate exhaust gas EG, a fuel heating line 140 that generates the gaseous fuel FG by heating liquid fuel FL through heat exchange with the exhaust gas EG, a waste heat recovery boiler 141 that recovers waste heat from the exhaust gas EG, a liquid fuel supply unit 145 that supplies the liquid fuel FL to the fuel heating line 140, and a gas fuel compressor 148 that compresses the gaseous fuel FG generated in the fuel heating line 140 and supplies it to the heat engine 110, wherein at least a part of the fuel heating line 140 is located in the waste heat recovery boiler 141 in a region below the dew point, which is a temperature region where the temperature of the exhaust gas EG passing through the waste heat recovery boiler 141 is below the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG.
Examples of heat engines 110 include gas turbines, reciprocating engines, and fuel cells.
Examples of gaseous fuels (FG) and liquid fuels (FL) include ammonia, methanol, ethanol, and dimethyl ether.
これにより、燃料加熱ライン140は、排熱回収ボイラ141を通過する排気ガスEGの温度が排気ガスEGに含まれる水分の露点Pr以下となる温度領域である露点以下領域141aに配置されている。このため、燃料加熱ライン140において、排気ガスEGとの熱交換によって液体燃料FLを加熱する際、排気ガスEGに含まれる水分が凝縮するときの熱エネルギーである潜熱を利用することができる。このように、液体燃料FLを加熱して相変化させ、ガス燃料FGを生成する際に、通常の熱交換で利用される排気ガスEGの顕熱だけでなく、排気ガスEGに含まれる水分が凝縮する際の潜熱を利用することが可能となる。これにより、排気ガスEGの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。即ち、熱媒体である排気ガスEG中の水分を高エンタルピーの相(気体)から低エンタルピーの相(液体)に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体である液体アンモニアFLを低エンタルピーの相(液体)から高エンタルピーの相(気体)に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能な熱機関システム100を提供することができる。 As a result, the fuel heating line 140 is positioned in the dew point region 141a, which is a temperature range where the temperature of the exhaust gas EG passing through the waste heat recovery boiler 141 is below the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG. Therefore, when heating the liquid fuel FL in the fuel heating line 140 by heat exchange with the exhaust gas EG, the latent heat, which is the thermal energy released when the water contained in the exhaust gas EG condenses, can be utilized. In this way, when heating the liquid fuel FL to cause a phase change and generate gaseous fuel FG, it is possible to utilize not only the sensible heat of the exhaust gas EG that is normally used in heat exchange, but also the latent heat released when the water contained in the exhaust gas EG condenses. This makes it possible to effectively utilize the thermal energy of the exhaust gas EG without any waste. In other words, this provides a heat engine system 100 that effectively utilizes the waste heat generated when the water in the exhaust gas EG, which is the heat transfer medium, undergoes a phase change from a high-enthalpy phase (gas) to a low-enthalpy phase (liquid), thereby effectively supplying the large amount of heat necessary for the phase change of the input medium, liquid ammonia FL, from a low-enthalpy phase (liquid) to a high-enthalpy phase (gas).
(2)第2の態様に係る熱機関システム100は、(1)の熱機関システム100であって、前記液体燃料供給部145は、前記液体燃料FLの飽和温度が前記水分の露点Pr未満となる範囲で、前記燃料加熱ライン140に供給される前記液体燃料FLを圧縮する液体燃料圧縮部146を備える。 (2) The heat engine system 100 according to the second embodiment is the heat engine system 100 of (1), wherein the liquid fuel supply unit 145 includes a liquid fuel compression unit 146 that compresses the liquid fuel FL supplied to the fuel heating line 140 in a range where the saturation temperature of the liquid fuel FL is less than the dew point Pr of the water.
したがって、燃料加熱ライン140で液体燃料FLからガス燃料FGが生成される際に、排気ガスEGに含まれる水分が凝縮する際の潜熱を利用することが妨げられない。その結果、排気ガスEG中の水分を凝縮させつつ、排気ガスEGと液体アンモニアFLを熱交換させ、液体アンモニアFLを気化させることができる。従って、排気ガスEG中の水分が凝縮する際に発生する潜熱を使って液体アンモニアFLを気化するのに必要な大量の熱を供給することができる。さらに、液体燃料FLが昇圧されていることで、燃料加熱ライン140からガス燃料圧縮機148に供給されるガス燃料FGも昇圧された状態となっている。そのため、ガスタービン110への投入圧力までガス燃料FGを昇圧させるためのガス燃料圧縮機148の動力を低減することができる。これにより、ガス燃料圧縮機148の設置コストを抑えることができる。 Therefore, when gaseous fuel FG is generated from liquid fuel FL in the fuel heating line 140, the latent heat of condensation of water contained in the exhaust gas EG is not prevented. As a result, while condensing the water in the exhaust gas EG, heat exchange occurs between the exhaust gas EG and liquid ammonia FL, and the liquid ammonia FL can be vaporized. Therefore, the latent heat generated when the water in the exhaust gas EG condenses can be used to supply the large amount of heat necessary to vaporize the liquid ammonia FL. Furthermore, because the liquid fuel FL is pressurized, the gaseous fuel FG supplied from the fuel heating line 140 to the gas fuel compressor 148 is also pressurized. Therefore, the power required by the gas fuel compressor 148 to pressurize the gaseous fuel FG to the input pressure to the gas turbine 110 can be reduced. This reduces the installation cost of the gas fuel compressor 148.
(3)第3の態様に係る熱機関システム100は、(1)又は(2)の熱機関システム100であって、前記排熱回収ボイラ141は、前記排気ガスEGとの熱交換することによって、前記液体燃料FLを気化させて前記ガス燃料FGを生成するとともに、前記排気ガスEGに含まれる水分を凝縮させる蒸発器143を有し、前記燃料加熱ライン140は、前記蒸発器143で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料FGを生成する。 (3) The heat engine system 100 according to the third embodiment is the heat engine system 100 of (1) or (2), wherein the waste heat recovery boiler 141 has an evaporator 143 that vaporizes the liquid fuel FL to produce the gaseous fuel FG by heat exchange with the exhaust gas EG, and condenses the water contained in the exhaust gas EG, and the fuel heating line 140 heats the liquid fuel in the evaporator 143 to produce the gaseous fuel FG.
これにより、蒸発器143によって、液体燃料FLは気化してガス燃料FGとなる。同時に、蒸発器143によって、排気ガスEGに含まれる水分が凝縮する。このように、燃料加熱ライン140が蒸発器143を利用することで、排気ガスEGに含まれる水分の潜熱を利用して液体燃料FLからガス燃料FGを生成する構造を容易に設置できる。 As a result, the liquid fuel FL vaporizes in the evaporator 143 to become gaseous fuel FG. Simultaneously, the water contained in the exhaust gas EG condenses in the evaporator 143. Thus, by utilizing the evaporator 143 in the fuel heating line 140, a structure can be easily installed that generates gaseous fuel FG from liquid fuel FL using the latent heat of water contained in the exhaust gas EG.
(4)第4の態様に係る熱機関システム100は、(3)の熱機関システム100であって、前記排熱回収ボイラ141は、前記蒸発器143で前記液体燃料FLと熱交換することで温度低下した前記排気ガスEGとの熱交換によって、前記液体燃料FLを液体状態のまま加熱する予熱器142を有し、前記燃料加熱ライン140は、前記蒸発器143で加熱する前の前記液体燃料を前記予熱器142で加熱する。 (4) The heat engine system 100 according to the fourth embodiment is the heat engine system 100 of (3), wherein the waste heat recovery boiler 141 has a preheater 142 that heats the liquid fuel FL in a liquid state by heat exchange with the exhaust gas EG, whose temperature has been reduced by heat exchange with the liquid fuel FL in the evaporator 143, and the fuel heating line 140 heats the liquid fuel in the preheater 142 before heating it in the evaporator 143.
これにより、ガス燃料FGを生成するために液体燃料FLと熱交換した排気ガスEGの熱エネルギーをさらに利用することができる。また、予熱器142で液体燃料FLの温度が上昇することで、蒸発器143で液体燃料FLを気化させるために必要な熱エネルギーが少なくなる。したがって、液体燃料FLを相変化させる際の熱交換効率を更に高めることができる。 This allows for further utilization of the thermal energy of the exhaust gas EG, which has undergone heat exchange with the liquid fuel FL to generate the gaseous fuel FG. Furthermore, the increase in the temperature of the liquid fuel FL in the preheater 142 reduces the thermal energy required to vaporize the liquid fuel FL in the evaporator 143. Therefore, the heat exchange efficiency during the phase change of the liquid fuel FL can be further improved.
(5)第5の態様に係る熱機関システム100は、(3)又は(4)の熱機関システム100であって、前記排熱回収ボイラ141は、前記蒸発器143に供給される前記排気ガスEGとの熱交換によって、前記ガス燃料FGの温度を上昇させる過熱器144を有し、前記燃料加熱ライン140は、前記蒸発器143で生成された前記ガス燃料を前記過熱器144で加熱する。 (5) The fifth embodiment of the heat engine system 100 is the heat engine system 100 of (3) or (4), wherein the waste heat recovery boiler 141 has a superheater 144 that raises the temperature of the gas fuel FG by heat exchange with the exhaust gas EG supplied to the evaporator 143, and the fuel heating line 140 heats the gas fuel generated in the evaporator 143 with the superheater 144.
これにより、蒸発器143に供給される前の排気ガスEGから、熱エネルギーを得て、蒸発器143で生成されたガス燃料FGの温度を上昇させることができる。過熱器144でガス燃料FGとの熱交換を行うことにより、蒸発器143に供給される排気ガスEGの温度が低下する。そのため、蒸発器143に供給される排気ガスEGの温度が過度に高くなり過ぎることを抑え、排気ガスEGの温度が排気ガスEGに含まれる水分の露点Pr以下となる温度領域である露点以下領域141aを、排熱回収ボイラ141内で実現しやすくなる。さらに、燃料加熱ライン140からガス燃料圧縮機148に供給されるガス燃料FGの温度が高くなっている。そのため、ガス燃料圧縮機148出口、即ち、燃焼器113入口におけるアンモニアガスFGの温度も高くなる。従って、燃焼器113に投入されるアンモニアガスFGの保有熱量が増大し、燃料であるアンモニアガスFGの消費量を削減することができる。従って、熱機関システム100の効率を高めることができる。 This allows thermal energy to be obtained from the exhaust gas EG before it is supplied to the evaporator 143, thereby increasing the temperature of the gas fuel FG produced in the evaporator 143. Heat exchange with the gas fuel FG in the superheater 144 lowers the temperature of the exhaust gas EG supplied to the evaporator 143. Therefore, this prevents the temperature of the exhaust gas EG supplied to the evaporator 143 from becoming excessively high, making it easier to achieve the dew point region 141a within the heat recovery boiler 141, where the temperature of the exhaust gas EG is below the dew point Pr of the water contained in the exhaust gas EG. Furthermore, the temperature of the gas fuel FG supplied from the fuel heating line 140 to the gas fuel compressor 148 is higher. Therefore, the temperature of the ammonia gas FG at the outlet of the gas fuel compressor 148, i.e., at the inlet of the combustor 113, also increases. Consequently, the heat content of the ammonia gas FG fed into the combustor 113 increases, reducing the consumption of the ammonia gas FG fuel. Therefore, the efficiency of the heat engine system 100 can be improved.
(6)第6の態様に係る熱機関システム100は、(1)から(5)の何れか一つの熱機関システム100であって、前記熱機関110はガスタービン110であり、前記排熱回収ボイラ141で回収された排熱により生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン120を更に備え、前記燃料加熱ライン140は、前記蒸気を生成した後の前記排気ガスEGとの熱交換によって前記液体燃料を加熱する。 (6) The heat engine system 100 according to the sixth embodiment is any one of the heat engine systems 100 described in (1) to (5), wherein the heat engine 110 is a gas turbine 110, and further comprises a steam turbine 120 driven by steam generated from the waste heat recovered by the waste heat recovery boiler 141, and the fuel heating line 140 heats the liquid fuel by heat exchange with the exhaust gas EG after the steam has been generated.
これにより、蒸気の生成に利用されて温度の低下した排気ガスEGの排熱を利用し、ガス燃料FGを生成している。このように排気ガスEGの熱エネルギーを蒸気及びガス燃料FGの生成に利用することで、排気ガスEGの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。 This process utilizes the waste heat from the exhaust gas EG, whose temperature has been reduced by its use in steam generation, to produce gaseous fuel FG. By utilizing the thermal energy of the exhaust gas EG for the generation of both steam and gaseous fuel FG, the thermal energy of the exhaust gas EG can be used effectively and completely.
(7)第7の態様に係る熱機関システム100は、投入対象機関110、210に対して投入される前の投入媒体FLを加熱して相変化させる熱機関システム100、200であって、前記投入対象機関110、210から排出され、前記投入媒体FLよりも高温の熱媒体EG、Mと前記投入媒体FLとを熱交換させることで、前記熱媒体EG、Mの相変化及び前記投入媒体FLの相変化を生じさせる熱交換部143、243と、前記熱交換部143、243で相変化した前記投入媒体FLを圧縮して前記投入対象機関110、210に供給する投入媒体圧縮部148、249と、を備える。 (7) The seventh embodiment of the heat engine system 100 is a heat engine system 100, 200 that heats and causes a phase change in the input medium FL before it is fed into the target engines 110, 210, and comprises: heat exchange units 143, 243 that cause a phase change in the heat transfer media EG, M and the input medium FL by exchanging heat between the input medium FL and the heat transfer media EG, M discharged from the target engines 110, 210 and at a higher temperature than the input medium FL; and input medium compression units 148, 249 that compress the input medium FL that has undergone a phase change in the heat exchange units 143, 243 and supply it to the target engines 110, 210.
これにより、熱媒体EG、Mを相変化させるときの熱エネルギーを利用して投入媒体FLを相変化させることで、熱媒体EG、Mの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。したがって、熱媒体EG、Mを高エンタルピーの相から低エンタルピーの相に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体FLを低エンタルピーの相から高エンタルピーの相に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能となる。
投入媒体は、アンモニア、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルが挙げられる。
熱媒体は、排気ガスに含まれる水分、尿素が挙げられる。
投入対象機関は、ガスタービン、レシプロエンジン、燃料電池、化学反応による合成設備が挙げられる。
This allows for the efficient and complete utilization of the thermal energy of the heat transfer fluids EG and M by using the thermal energy generated during the phase change of the heat transfer fluids EG and M to change the phase of the input fluid FL. Consequently, it becomes possible to effectively use the waste heat generated during the phase change of the heat transfer fluids EG and M from a high-enthalpy phase to a low-enthalpy phase to effectively supply the large amount of heat required to change the phase of the input fluid FL from a low-enthalpy phase to a high-enthalpy phase.
Examples of input media include ammonia, methanol, ethanol, and dimethyl ether.
Examples of heat transfer fluids include water contained in exhaust gases and urea.
The types of equipment that can be used include gas turbines, reciprocating engines, fuel cells, and chemical synthesis equipment.
100…熱機関システム
110…ガスタービン(熱機関、投入対象機関)
112…空気圧縮機
113…燃焼器
114…タービン
115…ガスタービンロータ
117…発電機
120…蒸気タービン
121…高圧蒸気タービン
122…中圧蒸気タービン
123…低圧蒸気タービン
124…蒸気タービンロータ
125…復水器
127…給水ポンプ
128…発電機
130…排熱回収ボイラ(熱交換部)
131…第一排熱回収ボイラ
132…低圧節炭器
133…低圧蒸発器
134…高圧ポンプ
135…低圧過熱器
136…高圧節炭器
137…高圧蒸発器
138…高圧過熱器
140…燃料加熱ライン
141…第二排熱回収ボイラ
141a…露点以下領域
142…予熱器
143…蒸発器(熱交換部)
144…過熱器
145…液体燃料供給部
146…液体燃料圧縮部
147…ガス燃料供給ライン
148…ガス燃料圧縮機(投入媒体圧縮部)
150…煙突
200…熱機関システム
210…投入対象機関
243…第一熱交換部(熱交換部)
245…第二熱交換部
247…第一圧縮部
248…第二圧縮部
249…ガス圧縮部(投入媒体圧縮部)
CG…二酸化炭素ガス
CL…液体二酸化炭素
EG…排気ガス(熱媒体)
FG…アンモニアガス(ガス燃料)
FL…液体アンモニア(液体燃料、投入媒体)
M…尿素
Pr…露点
100... Heat engine system 110... Gas turbine (heat engine, engine to be used)
112...Air compressor 113...Combustor 114...Turbine 115...Gas turbine rotor 117...Generator 120...Steam turbine 121...High-pressure steam turbine 122...Medium-pressure steam turbine 123...Low-pressure steam turbine 124...Steam turbine rotor 125...Condenser 127...Feedwater pump 128...Generator 130...Waste heat recovery boiler (heat exchange section)
131...First waste heat recovery boiler 132...Low-pressure economizer 133...Low-pressure evaporator 134...High-pressure pump 135...Low-pressure superheater 136...High-pressure economizer 137...High-pressure evaporator 138...High-pressure superheater 140...Fuel heating line 141...Second waste heat recovery boiler 141a...Below dew point region 142...Preheater 143...Evaporator (heat exchange section)
144...Superheater 145...Liquid fuel supply unit 146...Liquid fuel compression unit 147...Gas fuel supply line 148...Gas fuel compressor (input medium compression unit)
150... Chimney 200... Heat engine system 210... Engine to be fed into 243... First heat exchange section (heat exchange section)
245...Second heat exchange section 247...First compression section 248...Second compression section 249...Gas compression section (input medium compression section)
CG...Carbon dioxide gas CL...Liquid carbon dioxide EG...Exhaust gas (heat transfer medium)
FG... Ammonia gas (gas fuel)
FL...Liquid ammonia (liquid fuel, input medium)
M...Urea Pr...Dew point
Claims (13)
前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、
前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、
前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、
前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、
前記液体燃料供給部は、前記液体燃料の飽和温度が前記水分の露点未満となる範囲で、前記燃料加熱ラインに供給される前記液体燃料を圧縮する液体燃料圧縮部を備え、
前記燃料加熱ラインと前記ガス燃料圧縮機とを接続し、前記燃料加熱ラインで前記液体燃料を気化して生成された前記ガス燃料を、前記ガス燃料圧縮機に供給するガス燃料供給ラインをさらに備える、熱機関システム。 A heat engine that is driven by gaseous fuel and produces exhaust gas,
A fuel heating line is provided to generate the gaseous fuel by heating the liquid fuel through heat exchange with the exhaust gas, and a heat recovery boiler is provided to recover the waste heat from the exhaust gas.
A liquid fuel supply unit that supplies the liquid fuel to the fuel heating line,
The system includes a gas fuel compressor that compresses the gaseous fuel generated in the fuel heating line and supplies it to the heat engine,
At least a portion of the fuel heating line is located in the below-dew point region of the waste heat recovery boiler, where the temperature of the exhaust gas passing through the waste heat recovery boiler is below the dew point of the water contained in the exhaust gas .
The liquid fuel supply unit includes a liquid fuel compression unit that compresses the liquid fuel supplied to the fuel heating line in a range where the saturation temperature of the liquid fuel is below the dew point of the water,
A heat engine system further comprising a gas fuel supply line that connects the fuel heating line and the gas fuel compressor, and supplies the gas fuel generated by vaporizing the liquid fuel in the fuel heating line to the gas fuel compressor .
前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成する請求項1に記載の熱機関システム。 The aforementioned heat recovery boiler has an evaporator that vaporizes the liquid fuel to produce the gaseous fuel by heat exchange with the exhaust gas, and condenses the moisture contained in the exhaust gas.
The heat engine system according to claim 1, wherein the fuel heating line heats the liquid fuel in the evaporator to produce the gaseous fuel.
前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で加熱する前の前記液体燃料を前記予熱器で加熱する請求項2に記載の熱機関システム。 The aforementioned heat recovery boiler has a preheater that heats the liquid fuel while it remains in a liquid state by exchanging heat with the exhaust gas, whose temperature has been lowered by heat exchange with the liquid fuel in the evaporator.
The heat engine system according to claim 2 , wherein the fuel heating line heats the liquid fuel in the preheater before heating it in the evaporator.
前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で生成された前記ガス燃料を前記過熱器で加熱する請求項2又は3に記載の熱機関システム。 The aforementioned waste heat recovery boiler has a superheater that raises the temperature of the gas fuel by heat exchange with the exhaust gas supplied to the evaporator,
The heat engine system according to claim 2 or 3 , wherein the fuel heating line heats the gaseous fuel generated in the evaporator in the superheater.
前記排熱回収ボイラで回収された排熱により生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンを更に備え、
前記燃料加熱ラインは、前記蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱する請求項1に記載の熱機関システム。 The heat engine in question is a gas turbine,
The boiler further comprises a steam turbine driven by steam generated from the waste heat recovered by the aforementioned waste heat recovery boiler.
The heat engine system according to claim 1 , wherein the fuel heating line heats the liquid fuel by heat exchange with the exhaust gas after generating the steam.
前記投入対象機関から排出され、前記投入媒体よりも高温の熱媒体と前記投入媒体とを熱交換させることで、前記熱媒体の相変化及び前記投入媒体の相変化を生じさせる熱交換部と、
前記熱交換部で相変化した前記投入媒体を圧縮して前記投入対象機関に供給する投入媒体圧縮部と、
前記熱交換部に供給される前の液体の前記投入媒体を、前記投入媒体の飽和温度、または、擬臨界温度が、前記熱交換部に送り込まれる前記熱媒体が相変化する温度となる圧力よりも低い圧力まで前記投入媒体を圧縮する液体投入媒体圧縮部と、を備える熱機関システム。 A heat engine system that heats the input medium before it is introduced into the target engine to cause a phase change,
A heat exchange unit that causes a phase change in the heat medium and the input medium by exchanging heat between the input medium and a heat medium discharged from the input machine, which is at a higher temperature than the input medium,
A feed medium compression unit compresses the feed medium that has undergone a phase change in the heat exchange unit and supplies it to the target engine,
A heat engine system comprising: a liquid input medium compression unit that compresses the input medium, which is a liquid, to a pressure lower than the pressure at which the saturation temperature or pseudocritical temperature of the input medium becomes the temperature at which the heat medium supplied to the heat exchange unit undergoes a phase change .
前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、A fuel heating line has a fuel heating line that generates gaseous fuel by heating the liquid fuel through heat exchange with the exhaust gas, and a waste heat recovery boiler that recovers the waste heat from the exhaust gas, and a liquid fuel supply unit that supplies the liquid fuel to the fuel heating line,
前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、The system includes a gas fuel compressor that compresses the gaseous fuel generated in the fuel heating line and supplies it to the heat engine,
前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、At least a portion of the fuel heating line is located in the below-dew point region of the waste heat recovery boiler, where the temperature of the exhaust gas passing through the waste heat recovery boiler is below the dew point of the water contained in the exhaust gas.
前記排熱回収ボイラは、前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を気化させて前記ガス燃料を生成するとともに、前記排気ガスに含まれる前記水分を凝縮させる蒸発器を有し、The aforementioned heat recovery boiler has an evaporator that vaporizes the liquid fuel to produce the gaseous fuel by heat exchange with the exhaust gas, and condenses the moisture contained in the exhaust gas.
前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成し、前記排熱回収ボイラで回収された排熱により水蒸気を生成し、The fuel heating line generates gaseous fuel by heating the liquid fuel in the evaporator, and generates steam using the waste heat recovered in the waste heat recovery boiler.
前記燃料加熱ラインは、前記水蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱する、熱機関システム。The fuel heating line is a heat engine system that heats the liquid fuel by heat exchange with the exhaust gas after generating the steam.
請求項7に記載の熱機関システム。The heat engine system according to claim 7.
請求項8に記載の熱機関システム。The heat engine system according to claim 8.
前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、A fuel heating line has a fuel heating line that generates gaseous fuel by heating the liquid fuel through heat exchange with the exhaust gas, and a waste heat recovery boiler that recovers the waste heat from the exhaust gas, and a liquid fuel supply unit that supplies the liquid fuel to the fuel heating line,
前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、The system includes a gas fuel compressor that compresses the gaseous fuel generated in the fuel heating line and supplies it to the heat engine,
前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、At least a portion of the fuel heating line is located in the below-dew point region of the waste heat recovery boiler, where the temperature of the exhaust gas passing through the waste heat recovery boiler is below the dew point of the water contained in the exhaust gas.
前記排熱回収ボイラは、前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を気化させて前記ガス燃料を生成するとともに、前記排気ガスに含まれる前記水分を凝縮させる蒸発器を有し、The aforementioned heat recovery boiler has an evaporator that vaporizes the liquid fuel to produce the gaseous fuel by heat exchange with the exhaust gas, and condenses the moisture contained in the exhaust gas.
前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成し、前記排熱回収ボイラで回収された排熱により水蒸気を生成し、The fuel heating line generates gaseous fuel by heating the liquid fuel in the evaporator, and generates steam using the waste heat recovered in the waste heat recovery boiler.
前記燃料加熱ラインは、前記水蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱し、The fuel heating line heats the liquid fuel by heat exchange with the exhaust gas after generating the steam.
前記排熱回収ボイラは、低圧蒸発器と、高圧蒸発器とを備え、The aforementioned waste heat recovery boiler comprises a low-pressure evaporator and a high-pressure evaporator.
前記排熱回収ボイラ中の前記排気ガスが流れる方向で、下流から上流に向かって、前記低圧蒸発器、前記高圧蒸発器、の順序で配置され、In the heat recovery boiler, the exhaust gas flows in the order of the low-pressure evaporator, the high-pressure evaporator, and so on, from downstream to upstream.
前記低圧蒸発器、前記高圧蒸発器は、それぞれ、水を水蒸気にし、The low-pressure evaporator and the high-pressure evaporator each convert water into water vapor,
前記蒸発器は、前記排気ガスが流れる方向で、前記低圧蒸発器の下流に配置される、熱機関システム。The evaporator is located downstream of the low-pressure evaporator in the direction of the exhaust gas flow in the heat engine system.
前記低圧蒸発器は、前記低圧節炭器で加熱された水を水蒸気にし、The low-pressure evaporator converts the water heated in the low-pressure economizer into steam,
前記排気ガスが流れる方向で、下流から上流に向かって、前記低圧節炭器、前記低圧蒸発器、の順序で配置され、In the direction of the exhaust gas flow, the low-pressure economizer and the low-pressure evaporator are arranged in that order from downstream to upstream.
前記蒸発器は、前記排気ガスが流れる方向で、前記低圧節炭器の下流に配置される、The evaporator is positioned downstream of the low-pressure economizer in the direction in which the exhaust gas flows.
請求項10に記載の熱機関システム。The heat engine system according to claim 10.
請求項10または11に記載の熱機関システム。The heat engine system according to claim 10 or 11.
請求項12に記載の熱機関システム。The heat engine system according to claim 12.
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