WO2021132126A1

WO2021132126A1 - アンモニア誘導体製造プラント及びアンモニア誘導体の製造方法

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Publication number: WO2021132126A1
Application number: PCT/JP2020/047616
Authority: WO
Inventors: 達也辻内; 琢也平田; 立花　晋也; 隆仁米川
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2021-07-01
Also published as: AU2020414988A1; CA3165596A1; AU2020414988B2; DE112020005178T5; US20220380224A1; JP7353163B2; JP2021102532A; AU2020414988B9

Abstract

アンモニア誘導体製造プラントは、水を電気分解する電気分解装置と、電気分解装置で生成した水素と窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成装置と、二酸化炭素を生成する二酸化炭素生成装置と、アンモニア合成装置で合成されたアンモニアと二酸化炭素生成装置で生成された二酸化炭素とからアンモニア誘導体を合成するアンモニア誘導体合成装置とを備え、電気分解装置で生成した酸素は、二酸化炭素生成装置で二酸化炭素を生成するために消費される。

Description

アンモニア誘導体製造プラント及びアンモニア誘導体の製造方法

　本開示は、アンモニア誘導体製造プラント及びアンモニア誘導体の製造方法に関する。

　従来のアンモニア製造プラントでは、化石燃料である天然ガスや石炭等を原料として合成ガスを生成し、合成ガス中の水素と大気中の窒素とをハーバーボッシュ法で反応させることでアンモニアを合成している（例えば特許文献１）。さらに、合成されたアンモニアを原料として、尿素やメラミン等のアンモニア誘導体を合成することができる。

　しかし、このような従来のアンモニア製造プラントでは、化石燃料を用いることにより、副生成物の二酸化炭素が生成することから、地球温暖化に繋がるとされる二酸化炭素の排出が問題となる。これに対し、特許文献２には、水を電気分解することにより生成した水素と大気中の窒素とを反応させてアンモニアを合成することが記載されている。この技術によれば、化石燃料由来の二酸化炭素を生成せずに、水素を得ることができる。

米国特許出願公開第２０１５／０１８３６５０号明細書国際公開第２０１７／１０４０２１号

　しかしながら、特許文献２に記載の方法では、水の電気分解によって酸素も生成するが、生成した酸素を有効に利用しなければ、製造コストの悪化につながるといった問題点がある。

　上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、アンモニア誘導体の製造コストを低減したアンモニア誘導体製造プラント及びアンモニア誘導体の製造方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本開示に係るアンモニア誘導体製造プラントは、水を電気分解する電気分解装置と、前記電気分解装置で生成した水素と窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成装置と、二酸化炭素を生成する二酸化炭素生成装置と、前記アンモニア合成装置で合成されたアンモニアと前記二酸化炭素生成装置で生成された二酸化炭素とからアンモニア誘導体を合成するアンモニア誘導体合成装置とを備え、前記電気分解装置で生成した酸素は、前記二酸化炭素生成装置で二酸化炭素を生成するために消費される。

　また、本開示に係るアンモニア誘導体の製造方法は、水を電気分解する電気分解ステップと、前記電気分解ステップで生成した水素と窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成ステップと、二酸化炭素を生成する二酸化炭素生成ステップと、前記アンモニア合成ステップで合成されたアンモニアと前記二酸化炭素生成ステップで生成した二酸化炭素とからアンモニア誘導体を合成するアンモニア誘導体合成ステップとを含み、前記電気分解ステップで生成した酸素は、前記二酸化炭素生成ステップで二酸化炭素を生成するために消費される。

　本開示のアンモニア誘導体製造プラント及びアンモニア誘導体の製造方法によれば、電気分解装置で生成した酸素を二酸化炭素生成装置で二酸化炭素を生成するために消費するので、アンモニア誘導体の製造コストを低減することができる。

本開示の実施形態１に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成図である。本開示の実施形態２に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成図である。本開示の実施形態３に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成図である。本開示の実施形態４に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成図である。本開示の実施形態５に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成図である。

　以下、本開示の実施の形態によるアンモニア誘導体製造プラント及びアンモニア誘導体の製造方法について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

（実施形態１）
＜実施形態１に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成＞
　図１に示されるように、本開示の実施形態１に係るアンモニア誘導体製造プラント１は、水を電気分解して水素及び酸素を生成する電気分解装置１０と、電気分解装置１０で生成した水素と窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成装置２０と、二酸化炭素を生成する二酸化炭素生成装置３０と、アンモニア合成装置２０で合成されたアンモニアと二酸化炭素生成装置３０で生成された二酸化炭素とからアンモニア誘導体を合成するアンモニア誘導体合成装置４０とを備えている。ここで、アンモニア誘導体については特に限定しないが、例えば、尿素やメラミン、メラミン樹脂等を挙げることができる。

　アンモニア合成装置２０で使用される窒素の供給源は特に限定されず、タンク等に貯蔵された窒素や他のプラントから供給される窒素であってもよい。大気中の窒素を使用する場合には、アンモニア誘導体製造プラント１に、空気から窒素を分離する窒素分離装置２を設けることができる。窒素分離装置２の構成は特に限定されず、例えばＰＳＡ（圧力変動吸着）式窒素ガス発生装置や深冷分離法を用いた装置、膜分離法を用いた装置等であってもよい。

　窒素分離装置２には、空気から分離された窒素を含む窒素含有ガスが窒素分離装置２から流出した後に流通する窒素含有ガス流通管３が接続されている。窒素含有ガスには空気中の酸素が残存している。酸素が残存した窒素含有ガスがアンモニア合成装置２０に供給されてしまうと、アンモニア合成装置２０において窒素と水素とからアンモニアを合成するためのアンモニア合成用触媒の性能を低下させてしまうので、窒素含有ガスに残存する酸素を除去するために、酸素除去装置４をアンモニア誘導体製造プラント１に設けることができる。酸素除去装置４において窒素含有ガスに残存する酸素を除去すれば、アンモニア合成用触媒の性能低下を抑制することができる。

　酸素除去装置４として例えば、水供給管１３を介して電気分解装置１０に供給された水の電気分解で生じた水素と窒素含有ガス中の酸素とを反応させるものを使用することができる。この場合、酸素除去装置４には、窒素含有ガス流通管３が接続されるとともに、電気分解装置１０から流出した水素が流通する水素流通管１１が接続される構成が必要である。この構成により、酸素除去装置４に窒素含有ガス及び水素を供給可能となる。

　また、酸素除去装置４が水素と窒素含有ガス中の酸素とを反応させるものの場合、酸素除去装置４から流出する流出ガスには、窒素及び水素の他に水が含まれている。このため、流出ガスから水を除去するために、気液分離装置５をアンモニア誘導体製造プラント１に設けることができる。この場合、気液分離装置５は流出ガス流通管６を介して酸素除去装置４に連通するように構成され、流出ガス流通管６には、流出ガスを冷却して流出ガス中の水を液化するための冷却器７が設けられる。

　気液分離装置５で分離された水を、電気分解装置１０で電気分解される水の一部として利用できるように、気液分離装置５と電気分解装置１０とを水リサイクル管８を介して接続することもできる。この構成によれば、酸素除去装置４における酸素及び水素の反応で生じた水は、電気分解装置１０で電気分解される水の一部として利用されるので、電気分解装置１０における水の消費量を低減でき、その結果、後述する動作でアンモニア誘導体を製造するコストを低減することができる。

　気液分離装置５で水が分離されたガスをアンモニア合成装置２０においてアンモニアを合成するための原料となるアンモニア合成ガスとしてアンモニア合成装置２０に供給するために、気液分離装置５はアンモニア合成ガス供給管９を介してアンモニア合成装置２０に連通している。アンモニア合成ガス供給管９には、アンモニア合成ガスをアンモニア合成装置２０に供給するためのアンモニア合成ガス圧縮機２１と、アンモニア合成ガスに含まれる二酸化炭素を除去するための二酸化炭素除去装置２２とを設けることができる。二酸化炭素除去装置２２の構成は特に限定されず、例えばメタネーションにより二酸化炭素を除去する装置や、吸収液とアンモニア合成ガスとを気液接触させて吸収液に二酸化炭素を吸収させる装置と吸収液から二酸化炭素を回収する装置とを備える設備であってもよい。

　二酸化炭素生成装置３０の構成は特に限定されず、例えばボイラ３１を備えてもよい。二酸化炭素生成装置３０がボイラ３１を備える場合、ボイラ３１に燃料及び空気を供給するための燃料供給管３２及び空気供給管３３がボイラ３１に接続される。電気分解装置１０には、生成した酸素が電気分解装置１０から流出した後に流通する酸素流通管１２の一端が接続され、酸素流通管１２の他端は空気供給管３３に接続されている。ボイラ３１内では、燃料を燃焼させたときの燃焼熱で水蒸気（第１蒸気）が生成され、この水蒸気を駆動用蒸気とする蒸気タービン５０と、蒸気タービン５０からの動力によって発電を行う発電機５３とをアンモニア誘導体製造プラント１に設けることができる。

　二酸化炭素生成装置３０がボイラ３１を備える場合、ボイラ３１内における燃料の燃焼によって生じた排ガス中に二酸化炭素が含まれているので、二酸化炭素生成装置３０は、ボイラ３１の排ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素回収装置３４を備える必要がある。二酸化炭素回収装置３４の構成は特に限定されず、例えば吸収液と排ガスとを気液接触させて吸収液に二酸化炭素を吸収させる装置と吸収液から二酸化炭素を回収する装置とを備える設備であってもよい。

　アンモニア誘導体合成装置４０は、二酸化炭素供給管３５及びアンモニア供給管２３を介して二酸化炭素生成装置３０及びアンモニア合成装置２０と連通している。二酸化炭素供給管３５には、二酸化炭素をアンモニア誘導体合成装置４０に供給するための二酸化炭素圧縮機３６と、二酸化炭素圧縮機３６から流出した二酸化炭素を冷却するための冷却器３７とを設けることができる。

　アンモニア誘導体製造プラント１には、蒸気タービン５０を駆動した駆動用蒸気中の凝縮水と、二酸化炭素回収装置３４からの凝縮水と、冷却器３７からの凝縮水とを回収する凝縮水回収器５１を設けることができる。凝縮水回収器５１に回収された水を、電気分解装置１０で電気分解される水の一部として利用できるように、凝縮水回収器５１と水リサイクル管８とを水流通管５２によって接続してもよい。

＜実施形態１に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作＞
　次に、本開示の実施形態１に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作（アンモニア誘導体の製造方法を含む）について説明する。図１に示されるように、電気分解装置１０において水が電気分解されて水素及び酸素が生成する。生成された水素及び酸素はそれぞれ、電気分解装置１０から流出して水素流通管１１及び酸素流通管１２を流通する。窒素分離装置２において空気から窒素が分離されて、分離された窒素を含む窒素含有ガスが窒素分離装置２から流出して窒素含有ガス流通管３を流通する。水素流通管１１を流通する流通する水素及び窒素含有ガス流通管３を流通する窒素含有ガスはそれぞれ、酸素除去装置４に流入する。酸素除去装置４では、窒素含有ガスに残存する酸素と水素とが反応して水が生成することにより、窒素含有ガスから酸素が除去される。

　酸素除去装置４から流出する流出ガスには、水素及び窒素の他に少なくとも水及び二酸化炭素が含まれている。流出ガスが流出ガス流通管６を流通する際に冷却器７で冷却されると、流出ガスに含まれる水蒸気が凝縮して液体の水になった状態で気液分離装置５に流入する。気液分離装置５では液体の水が落下して底部に溜まるので、流出ガスから水が分離される。水が分離された流出ガスは、アンモニア合成ガス圧縮機２１によって気液分離装置５から流出して、アンモニア合成ガスとしてアンモニア合成ガス供給管９を流通する。アンモニア合成ガスは、アンモニア合成ガス供給管９を流通する際に、二酸化炭素除去装置２２において二酸化炭素が除去されてアンモニア合成装置２０に流入する。アンモニア合成装置２０において水素及び窒素が反応してアンモニアが合成される。合成されたアンモニアは、アンモニア供給管２３を介してアンモニア誘導体合成装置４０に流入する。

　一方、燃料供給管３２及び空気供給管３３を介して燃料及び空気がそれぞれボイラ３１に供給される。ボイラ３１には、この他に、電気分解装置１０で生成した酸素も、酸素流通管１２を流通した後に、空気供給管３３を流通する空気と合流してボイラ３１に供給される。ボイラ３１では燃料が燃焼され、その燃焼熱により水蒸気が生成するとともに排ガスが生成する。生成した水蒸気は蒸気タービン５０を駆動する駆動用蒸気として使用され、蒸気タービン５０から得られる動力により、発電機５３において発電が行われる。ボイラ３１には、空気供給管３３を流通する空気の他に電気分解装置１０で生成した酸素も供給されるので、電気分解装置１０で生成した酸素を二酸化炭素生成装置３０で二酸化炭素を生成するために消費し、有効利用される。酸素の有効利用により、ボイラ３１に供給される空気中の酸素濃度が上がり、二酸化炭素回収装置３４に流入する燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度も上がるので、燃焼排ガスの総量が減少することで二酸化炭素回収装置３４の小型化・低コスト化が可能となる。

　ボイラ３１で生成した排ガスには二酸化炭素が含まれている。このため、二酸化炭素回収装置３４において排ガスから二酸化炭素が回収される。二酸化炭素が除去された排ガスは、大気中に放出されるか、又は図示しない排ガス処理装置に送られる。一方、回収された二酸化炭素は、二酸化炭素圧縮機３６によって二酸化炭素回収装置３４から流出した後、二酸化炭素供給管３５を流通する。二酸化炭素は、二酸化炭素供給管３５を流通する際に、冷却器３７によって冷却されて、アンモニア誘導体合成装置４０に流入する。アンモニア誘導体合成装置４０において、アンモニア及び二酸化炭素からアンモニア誘導体が合成される。

　上記動作の間に、蒸気タービン５０を駆動した駆動用蒸気中の凝縮水と、二酸化炭素回収装置３４からの凝縮水と、冷却器３７からの凝縮水とが凝縮水回収器５１に回収される。気液分離装置５に溜まった水は水リサイクル管８を介して電気分解装置１０に供給されるが、凝縮水回収器５１に回収された水は水流通管５２を介して水リサイクル管８流入し、水リサイクル管８を流通する水と合流して電気分解装置１０に供給される。

　このように、本開示の実施形態１に係るアンモニア誘導体製造プラント１によれば、電気分解装置１０で生成した酸素を二酸化炭素生成装置３０で二酸化炭素を生成するために消費するので、アンモニア誘導体の製造コストを低減することができる。

（実施形態２）
　次に、実施形態２に係るアンモニア誘導体製造プラントについて説明する。実施形態２に係るアンモニア誘導体製造プラントは、実施形態１に対して、水の電気分解に高温水蒸気電解を用いるようにしたものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

＜実施形態２に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成＞
　図２に示されるように、電気分解装置１０に水を供給するための水供給管１３に水予熱器１４が設けられている。一端が気液分離装置５の底部に接続された水リサイクル管８の他端は、水予熱器１４よりも上流側で水供給管１３に接続されている。水予熱器１４の構成は特に限定されず、電気エネルギー等の任意の形態のエネルギーによって水を予熱する構成であってもよいし、水蒸気等の熱媒体と水とを熱交換する熱交換器であってもよい。水予熱器１４が後者の熱交換器である場合、熱媒体として、アンモニア合成装置２０におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって生成した水蒸気や、酸素除去装置４における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって生成した水蒸気等を使用することができる。その他の構成は実施形態１と同じである。

＜実施形態２に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作＞
　次に、本開示の実施形態２に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作について説明する。図２に示されるように、電気分解装置１０には水供給管１３を介して水が供給されるが、水供給管１３を流通する水は水予熱器１４によって予熱されて電気分解装置１０に流入する。実施形態１で説明したように、気液分離装置５に溜まった水及び凝縮水回収器５１に回収された水は水リサイクル管８を介して電気分解装置１０に供給されるが、水リサイクル管８は水予熱器１４よりも上流側で水供給管１３に接続されているので、水リサイクル管８を介して電気分解装置１０に供給される水も水予熱器１４によって予熱されて電気分解装置１０に流入する。その他の動作は実施形態１と同じである。

　このように、電気分解装置１０に供給される水を、アンモニア合成装置２０におけるアンモニアの合成で生じた排熱や酸素除去装置４における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって予熱することにより、電気分解装置１０において高温水蒸気電解を用いることができるので、電気分解の効率を向上でき、その結果、アンモニア誘導体の製造コストを低減することができる。

（実施形態３）
　次に、実施形態３に係るアンモニア誘導体製造プラントについて説明する。実施形態３に係るアンモニア誘導体製造プラントは、実施形態１又は２に対して、再生可能エネルギーによって発電された電力を用いた場合でも安定してアンモニア誘導体製造プラントが動作可能になるように変更したものである。以下では、実施形態１の構成を変更した構成で実施形態３を説明するが、実施形態２の構成を変更して実施形態３を構成してもよい。尚、実施形態３において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

＜実施形態３に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成＞
　図３に示されるように、酸素流通管１２には、酸素圧縮機１５と、冷却器１６と、酸素を貯蔵するための酸素貯蔵部材である酸素タンク１７とが設けられている。二酸化炭素供給管３５には、冷却器３７とアンモニア誘導体合成装置４０との間に、二酸化炭素を貯蔵するための二酸化炭素貯蔵部材である二酸化炭素タンク３８が設けられている。その他の構成は、再生可能エネルギーによって発電された電力をアンモニア誘導体製造プラント１に用いることを除いて実施形態１と同じである。

＜実施形態３に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作＞
　次に、本開示の実施形態３に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作について説明する。図３に示されるように、電気分解装置１０で水を電気分解することにより生成した酸素を酸素タンク１７に貯蔵可能である点と、二酸化炭素生成装置３０において生成された二酸化炭素を二酸化炭素タンク３８に貯蔵可能である点以外については、実施形態３の動作は実施形態１の動作と同じである。

　実施形態３では、実施形態１と異なり、再生可能エネルギーによって発電された電力をアンモニア誘導体製造プラント１に用いている。再生可能エネルギーによって発電された電力をアンモニア誘導体製造プラント１に用いる場合、電力供給が不安定になるおそれがあり、その場合には、アンモニア及びアンモニア誘導体の生成量及び製品品質が不安定となる。

　再生可能エネルギーによる発電量が低下した場合には、アンモニア誘導体製造プラント１において、電気分解装置１０とアンモニア合成装置２０とアンモニア誘導体合成装置４０とに優先的に電力を供給し、電力供給能力に応じて二酸化炭素生成装置３０を負荷変動又は運転停止させる。このようにすると、二酸化炭素生成装置３０における酸素の消費量及び二酸化炭素の生成量が低下してしまい、酸素が過剰になるとともにアンモニア誘導体合成装置４０へ供給される二酸化炭素の供給量が不足してしまうおそれがある。

　これに対し、実施形態３では、電気分解装置１０で生成した酸素の少なくとも一部を酸素タンク１７に貯蔵できるとともに、二酸化炭素生成装置３０で生成した二酸化炭素の少なくとも一部を二酸化炭素タンク３８に貯蔵できる。そうすると、過剰分の酸素を酸素タンク１７に貯蔵しておき、発電量の安定時に貯蔵した酸素を使用することができるので、酸素が過剰になる問題を解決できる。一方、二酸化炭素生成装置３０での二酸化炭素の生成量が低下又はゼロになったとしても、発電量の安定時に二酸化炭素タンク３８に二酸化炭素を予め貯蔵しておけば、二酸化炭素生成装置３０を負荷変動又は運転停止させても、アンモニア誘導体合成装置４０への二酸化炭素の供給量を確保することができる。その結果、アンモニア及びアンモニア誘導体の生成量及び製品品質を安定させることができる。

（実施形態４）
　次に、実施形態４に係るアンモニア誘導体製造プラントについて説明する。実施形態４に係るアンモニア誘導体製造プラントは、実施形態３に対して、排熱を有効利用するようにしたものである。尚、実施形態４において、実施形態３の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

＜実施形態４に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成＞
　図４に示されるように、蒸気タービン５０は、ボイラ３１で生成された水蒸気（第１蒸気）の他に、アンモニア合成装置２０におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって生成された水蒸気（第２蒸気）と、酸素除去装置４における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって生成した水蒸気（第３蒸気）との両方又はいずれか一方によって駆動されるように構成されている。すなわち、蒸気タービン５０を駆動する駆動用蒸気は、第１蒸気と、第２蒸気及び第３蒸気の少なくとも一方とを含むように構成されている。

　第３蒸気は、水又は水蒸気の流通流路を酸素除去装置４に形成しておき、酸素除去装置４における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって、流通流路を流れる水又は水蒸気を加熱して生成されるものであってもよいし、酸素除去装置４から流出する流出ガスから熱を回収する熱交換器６０を流出ガス流通管６に設け、熱交換器６０において流出ガスとの熱交換によって生じた水蒸気であってもよいし、これらの両方の水蒸気を含むものであってもよい。その他の構成については、凝縮水回収器５１（図１参照）が設けられていない点を除いて実施形態３と同じである。

＜実施形態４に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作＞
　次に、本開示の実施形態４に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作について説明する。図４に示されるように、蒸気タービン５０を駆動する駆動用蒸気に、第１蒸気の他に第２蒸気及び第３蒸気の少なくとも一方が含まれている点と、発電機５３で発電された電力によって酸素圧縮機１５とアンモニア合成ガス圧縮機２１と二酸化炭素圧縮機３６との少なくとも１つが駆動される点とを除く動作は、実施形態３と同じである。

　実施形態４では、第１蒸気と、第２蒸気及び第３蒸気の少なくとも一方とを含む駆動用蒸気によって蒸気タービン５０を駆動することにより、排熱が有効に利用されるので、実施形態３に比べてエネルギー効率を向上させることができる。また、実施形態４では、アンモニア誘導体製造プラント１内で生じる排熱によって生成された駆動用蒸気によって蒸気タービン５０を駆動して発電を行い、この電力を用いて酸素圧縮機１５とアンモニア合成ガス圧縮機２１と二酸化炭素圧縮機３６との少なくとも１つを駆動するので、実施形態３に比べてエネルギー効率をさらに向上させることができる。

（実施形態５）
　次に、実施形態５に係るアンモニア誘導体製造プラントについて説明する。実施形態５に係るアンモニア誘導体製造プラントは、実施形態３に対して、排熱を有効利用するようにしたものである。尚、実施形態５において、実施形態３の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

＜実施形態５に係るアンモニア誘導体製造プラントの構成＞
　図５に示されるように、窒素含有ガス流通管３には、窒素含有ガスを酸素除去装置４に流入する前に予熱するための窒素予熱器７０が設けられている。窒素予熱器７０において窒素含有ガスは、アンモニア合成装置２０におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって生成された水蒸気（第２蒸気）と、酸素除去装置４における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって生成した水蒸気（第３蒸気）との両方又はいずれか一方と熱交換するように構成されている。

＜実施形態５に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作＞
　次に、本開示の実施形態５に係るアンモニア誘導体製造プラントの動作について説明する。図５に示されるように、窒素含有ガスが酸素除去装置４に流入する前に窒素予熱器７０によって予熱される点を除く動作は、実施形態３と同じである。

　実施形態５では、第２蒸気及び第３蒸気の少なくとも一方によって窒素含有ガスを酸素除去装置４に流入する前に予熱することにより、酸素除去装置４で必要なエネルギーを低減できるので、実施形態３に比べて排熱を有効に利用してエネルギー効率を向上させることができる。

　上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）一の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、
　水を電気分解する電気分解装置（１０）と、
　前記電気分解装置（１０）で生成した水素と窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成装置（２０）と、
　二酸化炭素を生成する二酸化炭素生成装置（３０）と、
　前記アンモニア合成装置（２０）で合成されたアンモニアと前記二酸化炭素生成装置（３０）で生成された二酸化炭素とからアンモニア誘導体を合成するアンモニア誘導体合成装置（４０）と
を備え、
　前記電気分解装置（１０）で生成した酸素は、前記二酸化炭素生成装置（３０）で二酸化炭素を生成するために消費される。

　本開示のアンモニア誘導体製造プラントによれば、電気分解装置で生成した酸素を二酸化炭素生成装置で二酸化炭素を生成するために消費するので、アンモニア誘導体の製造コストを低減することができる。

（２）別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（１）に記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　空気から窒素を分離する窒素分離装置（２）と、
　前記窒素分離装置（２）で分離された窒素を含む窒素含有ガスに残存する酸素と前記電気分解装置（１０）で生成した水素とを反応させる酸素除去装置（４）と
をさらに備え、
　前記アンモニア合成装置（２０）において、前記酸素除去装置（４）から流出した流出ガスからアンモニアが合成される。

　窒素分離装置で生成された窒素含有ガスに酸素が残存していると、アンモニア合成装置において窒素含有ガスと水素とからアンモニアを合成する時に、酸素がアンモニア合成用触媒の性能を低下させてしまう。しかし、（２）の構成によれば、酸素除去装置において、窒素含有ガスに残存する酸素は水素との反応で除去できるので、アンモニア合成用触媒の性能低下を抑制することができる。

（３）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（２）に記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　前記酸素除去装置（４）における酸素及び水素の反応で生成した水を、前記電気分解装置（１０）で電気分解される水の一部として利用するように構成されている。

　（２）の構成では、酸素除去装置における酸素及び水素の反応で水が生成するが、（３）の構成によれば、この水は、電気分解装置で電気分解される水の一部として利用されるので、電気分解装置における水の消費量を低減でき、その結果、アンモニア誘導体の製造コストを低減することができる。

（４）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（１）～（３）のいずれかに記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　前記電気分解装置（１０）に供給される水を予熱するための水予熱器（１４）をさらに備え、
　前記水予熱器（１４）において、前記アンモニア合成装置（２０）におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって水が予熱されるように構成されている。

　このような構成によれば、電気分解装置に供給される水を、アンモニア合成装置におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって予熱することにより、電気分解装置において高温水蒸気電解を用いることができるので、電気分解の効率を向上でき、その結果、アンモニア誘導体の製造コストを低減することができる。

（５）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（２）または（３）に記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　前記電気分解装置（１０）に供給される水を予熱するための水予熱器（１４）をさらに備え、
　前記水予熱器（１４）において、前記酸素除去装置（４）における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって水が予熱されるように構成されている。

　このような構成によれば、電気分解装置に供給される水を、酸素除去装置における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって予熱することにより、電気分解装置において高温水蒸気電解を用いることができるので、電気分解の効率を向上でき、その結果、アンモニア誘導体の製造コストを低減することができる。

（６）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（１）～（５）のいずれかに記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　前記電気分解装置（１０）で生成した酸素を貯蔵するための酸素貯蔵部材（酸素タンク１７）と、
　前記二酸化炭素生成装置（３０）で生成した二酸化炭素を貯蔵するための二酸化炭素貯蔵部材（二酸化炭素タンク３８）と
をさらに備える。

　再生可能エネルギーによって発電された電力を（１）～（５）のいずれかに記載のアンモニア誘導体製造プラントに用いる場合、電力供給が不安定になるおそれがあり、その場合には、アンモニア及びアンモニア誘導体の生成量及び製品品質が不安定となる。これに対し、（６）の構成によれば、電気分解装置で生成した酸素を酸素貯蔵部材に貯蔵できるとともに、二酸化炭素生成装置で生成した二酸化炭素を二酸化炭素貯蔵部材に貯蔵できる。そうすると、電力供給が不安定になった場合、電気分解装置とアンモニア合成装置とアンモニア誘導体合成装置とに優先的に電力を供給するとともに電力供給能力に応じて二酸化炭素生成装置を負荷変動又は運転停止させたとしても、電気分解装置で生成した酸素を酸素貯蔵部材に貯蔵するとともに、二酸化炭素貯蔵部材に貯蔵された二酸化炭素をアンモニア誘導体合成装置に供給することにより、アンモニア及びアンモニア誘導体の生成量及び製品品質を安定させることができる。

（７）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（６）に記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　前記二酸化炭素生成装置（３０）は、燃料を燃焼させることにより第１蒸気を生成するボイラ（３１）を備え、
　前記アンモニア誘導体製造プラント（１）は蒸気タービン（５０）をさらに備え、
　前記蒸気タービン（５０）を駆動する駆動用蒸気は、
　前記第１蒸気と、
　前記アンモニア合成装置（２０）におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって生成された第２蒸気と
を含む。

　このような構成によれば、アンモニア誘導体製造プラント内で生じる排熱によって生成された第１蒸気及び第２蒸気を含む駆動用蒸気によって蒸気タービンを駆動することにより、排熱が有効に利用されるので、エネルギー効率を向上させることができる。

（８）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（６）に記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　前記二酸化炭素生成装置（３０）は、燃料を燃焼させることにより第１蒸気を生成するボイラ（３１）を備え、
　前記アンモニア誘導体製造プラント（１）は、
　蒸気タービン（５０）と
　空気から窒素を分離する窒素分離装置（２）と、
　前記窒素分離装置（２）で分離された窒素を含む窒素含有ガスに残存する酸素と前記電気分解装置（１０）で生成した水素とを反応させる酸素除去装置（４）と
をさらに備え、
　前記蒸気タービン（５０）を駆動する駆動用蒸気は、
　前記第１蒸気と、
　前記酸素除去装置（４）における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって生成した第３蒸気と
を含む。

　このような構成によれば、アンモニア誘導体製造プラント内で生じる排熱によって生成された第１蒸気及び第３蒸気を含む駆動用蒸気によって蒸気タービンを駆動することにより、排熱が有効に利用されるので、エネルギー効率を向上させることができる。

（９）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（８）に記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　前記酸素除去装置（４）から流出する流出ガスから熱を回収する熱交換器（６０）をさらに備え、
　前記第３蒸気は、前記熱交換器（６０）において前記流出ガスとの熱交換によって生じた蒸気を含む。

（１０）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（７）～（９）のいずれかに記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　前記電気分解装置（１０）で生成した酸素を前記二酸化炭素生成装置（３０）に供給するための酸素圧縮機（１５）と、
　窒素及び水素を前記アンモニア合成装置（２０）に供給するためのアンモニア合成ガス圧縮機（２１）と
をさらに備え、
　前記酸素圧縮機（１５）及び前記アンモニア合成ガス圧縮機（２１）は、前記蒸気タービン（５０）で発電された電力によって駆動される。

　このような構成によれば、アンモニア誘導体製造プラント内で生じる排熱によって生成された駆動用蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電を行い、この電力を用いてアンモニア誘導体製造プラント内の各圧縮機を駆動するので、エネルギー効率をさらに向上させることができる。

（１１）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（６）に記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　空気から窒素を分離する窒素分離装置（２）と、
　前記窒素分離装置（２）で分離された窒素を含む窒素含有ガスに残存する酸素と前記電気分解装置（１０）で生成した水素とを反応させる酸素除去装置（４）と、
　前記窒素含有ガスを前記酸素除去装置（４）に流入する前に予熱するための窒素予熱器（７０）と
をさらに備え、
　前記窒素含有ガスは、前記窒素予熱器（７０）において、前記アンモニア合成装置（２０）におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって生成された第２蒸気と熱交換するように構成されている。

　このような構成によれば、アンモニア合成装置におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって生成された第２蒸気によって窒素含有ガスを予熱することにより、酸素除去装置で必要なエネルギーを低減できるので、排熱を有効に利用してエネルギー効率を向上させることができる。

（１２）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（６）に記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　空気から窒素を分離する窒素分離装置（２）と、
　前記窒素分離装置（２）で分離された窒素を含む窒素含有ガスに残存する酸素と前記電気分解装置（１０）で生成した水素とを反応させる酸素除去装置（４）と、
　前記窒素含有ガスを前記酸素除去装置（４）に流入する前に予熱するための窒素予熱器（７０）と
をさらに備え、
　前記窒素含有ガスは、前記窒素予熱器（７０）において、前記酸素除去装置（４）における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって生成した第３蒸気と熱交換するように構成されている。

　このような構成によれば、酸素除去装置における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって生成した第３蒸気によって窒素含有ガスを予熱することにより、酸素除去装置で必要なエネルギーを低減できるので、排熱を有効に利用してエネルギー効率を向上させることができる。

（１３）さらに別の態様に係るアンモニア誘導体製造プラントは、（１２）に記載のアンモニア誘導体製造プラントであって、
　前記酸素除去装置（４）から流出する流出ガスから熱を回収する熱交換器（６０）をさらに備え、
　前記第３蒸気は、前記熱交換器（６０）において前記流出ガスとの熱交換によって生じた蒸気を含む。

（１４）一の態様に係るアンモニア誘導体の製造方法は、
　水を電気分解する電気分解ステップと、
　前記電気分解ステップで生成した水素と窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成ステップと、
　二酸化炭素を生成する二酸化炭素生成ステップと、
　前記アンモニア合成ステップで合成されたアンモニアと前記二酸化炭素生成ステップで生成した二酸化炭素とからアンモニア誘導体を合成するアンモニア誘導体合成ステップと
を含み、
　前記電気分解ステップで生成した酸素は、前記二酸化炭素生成ステップで二酸化炭素を生成するために消費される。

　本開示のアンモニア誘導体の製造方法によれば、電気分解装置で生成した酸素を二酸化炭素生成装置で二酸化炭素を生成するために消費するので、アンモニア誘導体の製造コストを低減することができる。

１　アンモニア誘導体製造プラント
２　窒素分離装置
４　酸素除去装置
１０　電気分解装置
１４　水予熱器
１５　酸素圧縮機
１７　酸素タンク（酸素貯蔵部材）
２０　アンモニア合成装置
２１　アンモニア合成ガス圧縮機
３０　二酸化炭素生成装置
３８　二酸化炭素タンク（二酸化炭素貯蔵部材）
４０　アンモニア誘導体合成装置
５０　蒸気タービン
６０　熱交換器
７０　窒素予熱器

Claims

　水を電気分解する電気分解装置と、
　前記電気分解装置で生成した水素と窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成装置と、
　二酸化炭素を生成する二酸化炭素生成装置と、
　前記アンモニア合成装置で合成されたアンモニアと前記二酸化炭素生成装置で生成された二酸化炭素とからアンモニア誘導体を合成するアンモニア誘導体合成装置と
を備え、
　前記電気分解装置で生成した酸素は、前記二酸化炭素生成装置で二酸化炭素を生成するために消費される、アンモニア誘導体製造プラント。
　空気から窒素を分離する窒素分離装置と、
　前記窒素分離装置で分離された窒素を含む窒素含有ガスに残存する酸素と前記電気分解装置で生成した水素とを反応させる酸素除去装置と
をさらに備え、
　前記アンモニア合成装置において、前記酸素除去装置から流出した流出ガスからアンモニアが合成される、請求項１に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　前記酸素除去装置における酸素及び水素の反応で生成した水を、前記電気分解装置で電気分解される水の一部として利用するように構成されている、請求項２に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　前記電気分解装置に供給される水を予熱するための水予熱器をさらに備え、
　前記水予熱器において、前記アンモニア合成装置におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって水が予熱されるように構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　前記電気分解装置に供給される水を予熱するための水予熱器をさらに備え、
　前記水予熱器において、前記酸素除去装置における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって水が予熱されるように構成されている、請求項２または３に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　前記電気分解装置で生成した酸素を貯蔵するための酸素貯蔵部材と、
　前記二酸化炭素生成装置で生成した二酸化炭素を貯蔵するための二酸化炭素貯蔵部材と
をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　前記二酸化炭素生成装置は、燃料を燃焼させることにより第１蒸気を生成するボイラを備え、
　前記アンモニア誘導体製造プラントは蒸気タービンをさらに備え、
　前記蒸気タービンを駆動する駆動用蒸気は、
　前記第１蒸気と、
　前記アンモニア合成装置におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって生成された第２蒸気と
を含む、請求項６に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　前記二酸化炭素生成装置は、燃料を燃焼させることにより第１蒸気を生成するボイラを備え、
　前記アンモニア誘導体製造プラントは、
　蒸気タービンと
　空気から窒素を分離する窒素分離装置と、
　前記窒素分離装置で分離された窒素を含む窒素含有ガスに残存する酸素と前記電気分解装置で生成した水素とを反応させる酸素除去装置と
をさらに備え、
　前記蒸気タービンを駆動する駆動用蒸気は、
　前記第１蒸気と、
　前記酸素除去装置における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって生成した第３蒸気と
を含む、請求項６に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　前記酸素除去装置から流出する流出ガスから熱を回収する熱交換器をさらに備え、
　前記第３蒸気は、前記熱交換器において前記流出ガスとの熱交換によって生じた蒸気を含む、請求項８に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　前記電気分解装置で生成した酸素を前記二酸化炭素生成装置に供給するための酸素圧縮機と、
　窒素及び水素を前記アンモニア合成装置に供給するためのアンモニア合成ガス圧縮機と
をさらに備え、
　前記酸素圧縮機及び前記アンモニア合成ガス圧縮機は、前記蒸気タービンで発電された電力によって駆動される、請求項７～９のいずれか一項に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　空気から窒素を分離する窒素分離装置と、
　前記窒素分離装置で分離された窒素を含む窒素含有ガスに残存する酸素と前記電気分解装置で生成した水素とを反応させる酸素除去装置と、
　前記窒素含有ガスを前記酸素除去装置に流入する前に予熱するための窒素予熱器と
をさらに備え、
　前記窒素含有ガスは、前記窒素予熱器において、前記アンモニア合成装置におけるアンモニアの合成で生じた排熱によって生成された第２蒸気と熱交換するように構成されている、請求項６に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　空気から窒素を分離する窒素分離装置と、
　前記窒素分離装置で分離された窒素を含む窒素含有ガスに残存する酸素と前記電気分解装置で生成した水素とを反応させる酸素除去装置と、
　前記窒素含有ガスを前記酸素除去装置に流入する前に予熱するための窒素予熱器と
をさらに備え、
　前記窒素含有ガスは、前記窒素予熱器において、前記酸素除去装置における酸素及び水素の反応で生じた排熱によって生成した第３蒸気と熱交換するように構成されている、請求項６に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　前記酸素除去装置から流出する流出ガスから熱を回収する熱交換器をさらに備え、
　前記第３蒸気は、前記熱交換器において前記流出ガスとの熱交換によって生じた蒸気を含む、請求項１２に記載のアンモニア誘導体製造プラント。
　水を電気分解する電気分解ステップと、
　前記電気分解ステップで生成した水素と窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成ステップと、
　二酸化炭素を生成する二酸化炭素生成ステップと、
　前記アンモニア合成ステップで合成されたアンモニアと前記二酸化炭素生成ステップで生成した二酸化炭素とからアンモニア誘導体を合成するアンモニア誘導体合成ステップと
を含み、
　前記電気分解ステップで生成した酸素は、前記二酸化炭素生成ステップで二酸化炭素を生成するために消費される、アンモニア誘導体の製造方法。