JPH04334729A - 発電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンによって
発電機を駆動する発電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】地球の温暖化を防止するため、化石燃料
の使用に伴なう二酸化炭素の大気中への放出を抑制する
必要がある。化石燃料を大量に使用するものとして、石
炭、石油、天然ガス、石油ガスなどを使用する火力発電
所が挙げられ、火力発電所で放出される二酸化炭素の量
を低減することが、特に重要となっている。中でも特に
炭化水素系燃料からの二酸化炭素は全火力発電所の７０
％を占めており、炭化水素系燃料からの炭酸ガス除去が
重要となる。炭化水素系燃料を用いる火力発電所では、
熱効率を向上させるために、ガスタービンとこのガスタ
ービンの排熱で作動する蒸気タービンとを組み合せた複
合発電方法（コジェネレーション）で運転されることも
多い。

【０００３】一方、化石燃料の使用にともなう二酸化炭
素の放出を防止する方法として、現在、化石燃料を燃焼
させたあとの煙道排ガスから二酸化炭素を分離し、分離
させた二酸化炭素を海水に吸収させたり、何らかの方法
で固定したりすることが研究されている。煙道排ガスか
ら二酸化炭素を分離させる方法としては、■水やアルコ
ール溶液に二酸化炭素を物理的に吸収させる物理吸収法
、■アミン溶液や熱した炭酸カリウム溶液に化学的に吸
収させる化学吸収法、■ゼオライトや分子ふるい炭素に
吸着させる吸着法、■酢酸セルロース膜などを用いて二
酸化炭素のみを選択的に透過させる膜分離法、■蒸留に
よって二酸化炭素を分離する蒸留法などがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した煙道排ガスか
らの二酸化炭素の分離方法は、いずれも運転コストが高
く所要エネルギーが大きいため、火力発電所のように大
量の煙道排ガスを処理しなければならない場合には、適
用することが難かしくなる。特に、ガスタービンを用い
た火力発電所においては、ガスタービンの動作のために
大量の空気を導入し、二酸化炭素がこの空気に希釈され
た状態で排出されることになるので、煙道排ガスの量が
莫大でかつ煙道排ガス中の二酸化炭素の濃度が通常の場
合に比べ低くなり、煙道排ガスから二酸化炭素を分離回
収することは極めて困難である。

【０００５】本発明の目的は、ガスタービンによって発
電機を駆動して発電する場合に、排ガスに含まれ大気中
に放出される二酸化炭素の量を低減でき、かつ熱効率の
高い発電方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の発電方法は、炭
化水素系燃料に水蒸気を添加し、水蒸気改質反応と一酸
化炭素転化反応とを進行させて前記炭化水素系燃料を二
酸化炭素と水素とを含む混合ガスに転換し、前記混合ガ
スから二酸化炭素を分離し、分離後の主として水素から
なるガスをガスタービンの燃料とし、前記水蒸気改質反
応に必要な熱の少なくとも一部を前記ガスタービンの排
気の熱によってまかなう。

【０００７】

【作用】水蒸気改質反応は吸熱反応であるが、この水蒸
気改質反応に必要な熱の少なくとも一部をガスタービン
の排気の熱でまかない、水蒸気改質反応と一酸化炭素転
化反応とによって炭化水素系燃料を二酸化炭素と水素と
を含む混合ガスに転換し、この混合ガスから二酸化炭素
を除去するので、ガスタービンの煙道排ガスから二酸化
炭素を分離する場合に比べ、処理すべきガスの圧力と二
酸化炭素の濃度が高く、処理すべきガスの容積が小さく
なり、容易に二酸化炭素を分離することができる。さら
に、ガスタービンに供給される燃料が主として水素にな
るので、ガスタービンの熱効率が向上し、系全体として
の熱効率も向上する。

【０００８】炭化水素系燃料が液化天然ガスである場合
には、この液化天然ガスの気化時の潜熱を利用して空気
から酸素を分離し、分離された酸素をガスタービンの助
燃剤として使用してガスタービンを酸水素ガスタービン
として運転するようにすることができ、この場合はガス
タービンの圧縮機が不要となって、さらに熱効率が向上
する。また、ガスタービンの排熱を利用する蒸気タービ
ンをさらに設け、蒸気タービンにおいても発電機を行な
うようにした複合発電方法とすることも可能で、このよ
うにすれば熱効率はさらに向上する。

【０００９】本発明において、炭化水素系燃料として、
水蒸気改質の行なえるもの、例えば、メタン、エタン、
プロパン、ナフサ、石油ガス、天然ガスなどが良好に使
用でき、また公知の方法で石油をガス化したものなども
良好に使用できる。混合ガスから二酸化炭素を分離する
方法としては、熱炭酸カリウム法やアミン法などの公知
の方法を良好に使用できる。

【００１０】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の一実施例の発電方法のプロ
セスを示す工程図、図２は酸水素ガスタービンとしたと
きのプロセスを示す工程図である。 ［実施例１］まず、図１に示した本実施例の発電方法に
ついて説明する。本実施例は、例えば数十万ｋＷ級の火
力発電所に本発明を適用した場合の実施例である。

【００１１】ＣＯ２分離器２６は、熱炭酸カリウム法な
どの公知のプロセスによって二酸化炭素を分離除去する
ためのものであって、吸収塔２６ａと再生塔２６ｂとが
たすきがけに接続された構成であり、吸収塔２６ａと再
生塔２６ｂとの間を炭酸カリウム溶液などの吸収液が循
環するようになっている。吸収塔２６ａの図示上部の出
口からの配管は、２つに分岐し、一方は後述するガスタ
ービン２１の燃焼器２１ａに接続され、他方は改質炉２
３に直接接続されている。

【００１２】炭化水素系燃料の１種である天然ガス（主
成分はメタン）は、不図示の供給源から供給され、加圧
された水蒸気が添加され、予熱器３１を通り、改質炉２
３の煙道部でさらに加熱され、改質炉２３内に設けられ
た改質器２４の入口に送りこまれるようになっている。 改質器２４の内部には、例えばニッケル系触媒などの、
水蒸気改質反応に活性を示す公知の触媒が充填されてい
る。改質器２４の出口は、直列に接続されたガスボイラ
３２、ＣＯ転化塔２５、ガスボイラ３３を介して、吸収
塔２６ａの図示下部の入口に接続されている。ＣＯ転化
塔２５の内部には、例えば鉄系触媒などの、一酸化炭素
転化反応に活性を示す公知の触媒が充填されている。な
お、発熱反応である一酸化炭素転化反応で発生する熱は
、ガスボイラ３３によって回収されるようになっている
。

【００１３】ガスタービン２１は、燃焼器２１ａ、ター
ビン２１ｂ、圧縮機２１ｃからなり、発電機２２を駆動
する公知の構成のものであって、圧縮機２１ｃには空気
が供給されるようになっている。タービン２１ｂからの
排気は排熱を効率的に用いるため２つに分けられ、一方
が改質炉２３に供給され、他方が改質炉２３の排気と合
流するようになっている。改質炉２３の排気は、前述の
ようにタービン２１ｂからの排気が合流したのち、排熱
回収ボイラ３４を経てスタック２９から大気中に放出さ
れるようになっている。排熱回収ボイラ３４には、発電
機２８が結合された蒸気タービン２７と海水で冷却され
る復水器３５が設けられた蒸気配管が接続され、ボイラ
３４を通過する排気の熱エネルギーによって蒸気タービ
ン２７が駆動されるようになっている。なお、各ガスボ
イラ３２，３３から回収される熱は、天然ガスに加えら
れる水蒸気を発生させるために、予熱器３１に供給され
る熱のために、あるいは不図示の蒸気タービンを駆動す
るために、系内で無駄なく使用されるようになっている
。

【００１４】次に本実施例の動作について説明する。

【００１５】供給源（不図示）からの天然ガスは、加圧
された水蒸気を加えられ、予熱器３１で加熱され、さら
に改質炉２３の煙道部で加熱されて改質器２４に導入さ
れる。改質器２４は、ガスタービン２１から改質炉２３
に送られる排気の熱と、改質炉２３内での後述する追い
焚用の燃料の燃焼によって、例えば８００〜１０００℃
の温度になっており、主成分がメタンである天然ガスは
、ここで吸熱反応である水蒸気改質反応を受けて、主と
して水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気からなるガ
スになる。このガスは、ガスボイラ３２で例えば４５０
℃以下に冷却され、ＣＯ転化塔２５に導入され、ここで
一酸化炭素転化反応によりこのガスに含まれる一酸化炭
素と水蒸気が反応し、主として水素、二酸化炭素、水蒸
気からなる混合ガスとなる。この混合ガスは、ガスボイ
ラ３３で冷却され、さらに水分が除去されて、ＣＯ２分
離器２６の吸収塔２６ａに導入される。そして公知の二
酸化炭素分離プロセスにより、混合ガス中の二酸化炭素
は再生塔２６ｂの図示上側の出口から系外に排出される
。排出された二酸化炭素は、他の工程例えば原油の２次
、３次回収に利用されたり、バイオマスや炭酸塩として
固定されるなどし、大気中には放出されないようになっ
ている。

【００１６】一方、吸収塔２６ａの図示上側の出口から
は、混合ガスから水分と二酸化炭素とが除去された残り
の成分、すなわち主として水素からなるガスが排出され
る。この水素を主とするガスの一部は、追い焚用の燃料
として改質炉２３に直接供給され、残りはガスタービン
２１の燃料として燃焼器２１ａに供給される。ガスタタ
ービン２１では、圧縮機２１ｃで圧縮された空気も燃焼
器２１ａに供給され、燃焼器２１ａでの燃焼によりター
ビン２１ｂが回転駆動される。ガスタービン２１からの
排気は高温であるので、その約半分が改質炉２３に供給
されて改質器２４での水蒸気改質反応の熱源として利用
される。ガスタービン２１からの排気の残りの半分は、
バイパスして改質炉２３からの排気に合流するようにな
っている。ガスタービン２１からの排気には酸素が含ま
れているので、上述のように追い焚用の燃料を改質炉２
３に供給して燃焼させることにより、ガスタービン２１
の排気温度が水蒸気改質反応に好適な値よりも低い場合
であっても、改質炉２３の炉内温度を水蒸気改質反応に
好適な範囲に保つことができる。

【００１７】改質炉２３からの排気は、まだ高温である
ので、排熱回収ボイラ３４に供給されて熱交換され、蒸
気タービン２７を駆動するのに利用される。排熱回収ボ
イラ３４の出口において排気は十分温度が低くなってい
るので、この排気は排ガスとしてスタック２９から大気
中に放出される。排ガスはガスタービン２１の燃料と改
質炉２３の追い焚用の燃料とに由来するものであり、こ
れら各燃料は上述のように主として水素からなるため、
排ガス中には二酸化炭素はほとんど存在せず、大気中へ
の二酸化炭素の放出量は極めて微量である。

【００１８】この実施例において、ガスタービン２１に
結合された発電機２２の電気出力を約２２００００ｋＷ
、蒸気タービン２７に結合された発電機２８の電気出力
を約１１２０００ｋＷとした場合の、主要な物質収支が
以下の表に示されている。なお、表中の計量点１〜１１
は、図１において丸付き数字で表した各計量点に対応す
る。このときの二酸化炭素の回収率は９８％であり、系
全体としての発電効率は４３％である。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】 この物質収支を検討すると、二酸化炭素の分離対象とな
るガス（計量点４でのガス、ただし水分は考慮しない）
中の二酸化炭素濃度とガス圧力（全圧）は、従来のガス
タービンを利用した発電方法において煙道ガスを二酸化
炭素の分離対象としたときと比べて、それぞれ約６倍と
約２０倍である。また、分離対象のガス量は、従来の煙
道ガスを処理する場合と比べて約６分の１になる。した
がって、従来の場合と比較して、その分だけ二酸化炭素
の分離回収設備をコンパクトにすることができ、この分
離回収設備の設備費、運転費を軽減することができる。

【００２１】この実施例において炭化水素系燃料として
使用されている天然ガスは、一般に液化天然ガス（ＬＮ
Ｇ）として供給されるので、液化天然ガスの気化潜熱を
利用することが可能である。例えば、この気化潜熱を利
用して、再生塔２６ｂから排出される二酸化炭素を貯蔵
の容易なドライアイスとして固化させることができる。 また、この気化潜熱を利用して、空気から酸素を深冷分
離し、分離された酸素をガスタービンの助燃剤として使
用し、ガスタービンを酸水素ガスタービンとして運転す
ることができる。さらに将来、ガスタービンが改良され
、タービン入口、出口温度が現在よりも上昇すれば、追
い焚用の燃料を減少または皆無にすることができ、さら
に熱効率は上昇する。 ［実施例２］次に、この酸水素ガスタービンとして運転
する場合の実施例について、図２によって説明する。こ
の実施例は、図１により示した上述の実施例１に対し、
深冷分離器４３が付加された構成である。またガスター
ビン４１は、酸水素ガスタービンとして使用されるもの
であるので圧縮機を欠いており、燃焼器４１ａとタービ
ン４１ｂとからなる。さらに排熱回収ボイラ３４の出口
には、復水器４４が設けられている。

【００２２】液化天然ガスは、図示しない供給源から供
給され、深冷分離器４３で気化し、その後は実施例１と
同様に、水蒸気改質反応、一酸化炭素転化反応を経、さ
らに二酸化炭素が分離されて、水素を主とするガスにな
る。このとき液化天然ガスの冷熱を利用して、深冷分離
器４３において空気から酸素を分離する。分離された酸
素は吸収塔２６ａからの水素を主体とするガスと同様、
燃焼器４１ａに送られる。タービン４１ｂからの排気は
、高温であって主に水蒸気からなり、一部が改質炉２３
に送られ、水蒸気改質反応の熱源となる。改質炉２３に
は、吸収塔２６ａの出口から分流した追い焚用の燃料と
深冷分離器４３からの酸素が供給され、改質に必要な温
度が維持される。その結果改質炉２３の排気がほとんど
水蒸気のみからなるようにすることは可能である。改質
炉２３の排気は、まだ高温であるので、ボイラ３４を介
して蒸気タービン２７を駆動し、さらに復水器４４によ
って凝縮し液体の水となる。この水は、例えば工業用水
として利用することができる。

【００２３】この実施例は、ガスタービン４１を酸水素
ガスタービンとして運転するので、さらに熱効率が向上
し、工業用水が得られるので、真水の得られない地域に
おいて特に有利である。また、助燃剤として純酸素を使
用することになるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）による大
気汚染を引き起こすおそれがない。

【００２４】以上、本発明の実施例について説明したが
、現在、化石燃料を使用した発電によって発生する二酸
化炭素のうち約７割が、天然ガス、石油ガス、石油を使
用した発電によるものなので、本発明の発電方法を実施
することにより、化石燃料を使用した発電に由来する二
酸化炭素の大気中への放出量を現在の値の約４割にまで
削減することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ガスター
ビンの排熱を利用した水蒸気改質反応と一酸化炭素転化
反応とによって炭化水素系燃料を二酸化炭素と水素とを
含む混合ガスに転換し、この混合ガスから二酸化炭素を
除去することにより、容易に二酸化炭素を分離すること
ができ、二酸化炭素の分離回収に要するエネルギーとコ
ストとを低減できるという効果がある。さらに、ガスタ
ービンに供給される燃料が主として水素であるので、ガ
スタービンの熱効率が向上し、系全体としての熱効率も
向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の発電方法のプロセスを示す
工程図である。

【図２】酸水素ガスタービンとしたときのプロセスを示
す工程図である。

【符号の説明】

１〜１１，９’　　計量点 ２１，４１　　　　　　ガスタービン ２１ａ，４１ａ　　燃焼器 ２１ｂ，４１ｂ　　タービン ２１ｃ　　　　　　　　　　圧縮機 ２２，２８　　　　　　発電機 ２３　　　　　　　　　　　　改質炉 ２４　　　　　　　　　　　　改質器 ２５　　　　　　　　　　　　ＣＯ転化塔２６　　　　
　　　　　　　　ＣＯ２分離器２６ａ　　　　　　　　
　　吸収塔 ２６ｂ　　　　　　　　　　再生塔 ２７　　　　　　　　　　　　蒸気タービン２９　　　
　　　　　　　　　スタック３１　　　　　　　　　　
　　予熱器 ３２，３３　　　　　　ガスボイラ ３４　　　　　　　　　　　　排熱回収ボイラ３５，４
４　　　　　　復水器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ガスタービンによって発電機を駆動す
   る発電方法において、炭化水素系燃料に水蒸気を添加し
   、水蒸気改質反応と一酸化炭素転化反応とを進行させて
   前記炭化水素系燃料を二酸化炭素と水素とを含む混合ガ
   スに転換し、前記混合ガスから二酸化炭素を分離し、分
   離後の主として水素からなるガスを前記ガスタービンの
   燃料とし、前記水蒸気改質反応に必要な熱の少なくとも
   一部を前記ガスタービンの排気の熱によってまかなうこ
   とを特徴とする発電方法。
2. 【請求項２】　　前記炭化水素系燃料が液化天然ガスで
   あり、該液化天然ガスの気化時の潜熱を利用して空気か
   ら酸素を分離し、分離された酸素を前記ガスタービンの
   助燃剤として使用して前記ガスタービンを酸水素ガスタ
   ービンとして運転する請求項１記載の発電方法。
3. 【請求項３】　　前記ガスタービンの排熱を利用する蒸
   気タービンをさらに設け、前記蒸気タービンにおいても
   発電を行なう請求項１または２記載の発電方法。