(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料の酸化反応により電力と温水を生成する第１装置と、
前記燃料を前記第１装置により酸化反応させる過程で発生する炭酸ガスを物理的もしくは化学的に吸収して温熱された炭酸ガスを回収し、かつその炭酸ガスを放出することが可能な物質が収納された第２装置と、
前記温水と前記物質から放出された温熱炭酸ガスとを随伴してプラント外部に供給するための配管系統と
を具備したことを特徴とするコ・ジョネレーション発電プラント。
【請求項２】
前記第２装置に収納される前記物質は、炭酸ガスと反応して炭酸リチウムとして回収し、かつ炭酸ガスを放出して炭酸ガスの反応前の形態に戻る性質を有する炭酸ガス吸収材であることを特徴とする請求項１記載のコ・ジョネレーション発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、炭化水素を主成分とする燃料を利用するコ・ジョネレーション発電プラントに関し、特に炭酸ガスを温水と共に効率的に供給できるようにしたコ・ジョネレーション発電プラントに係わる。
【０００２】
【従来の技術】
コ・ジョネレーション発電プラントは、ガスタービン、燃料電池など炭化水素を主成分とす燃料を酸化反応させて電力と温水に転換し、これを複数の需要家に供給するプラントであり、燃料利用効率の高い地域システムとして実用化され、今後も大きな期待を集めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記コ・ジョネレーション発電プラントにおいてガスタービンや燃料電池の酸化反応で随伴する炭酸ガスは、地球温暖化の主たる原因物質とされて排出規制が求められており、燃料利用効率の向上にとどまらず、より積極的な炭酸ガスの回収・利用が必要になっている。
【０００４】
本発明は、ガスタービンや燃料電池の酸化反応で随伴する炭酸ガスを発電プロセス中で効率よく回収し、この回収時に温熱された炭酸ガスを温水と随伴してプラント外部、例えば需要家に供給することによって、高効率、低コストで炭酸ガスの排出抑制を実現し、かつ熱エネルギーの大きな温水を需要家に供給することが可能なコ・ジェネレーション発電プラントを提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるコ・ジェネレーション発電プラントは、炭化水素系燃料の酸化反応により電力と温水を生成する第１装置と、
前記燃料を前記第１装置により酸化反応させる過程で発生する炭酸ガスを物理的もしくは化学的に吸収して温熱された炭酸ガスを回収し、かつその炭酸ガスを放出することが可能な物質が収納された第２装置と、
前記温水と前記物質から放出された温熱炭酸ガスとを随伴してプラント外部に供給するための配管系統と
を具備したことを特徴とするものである。
【０００６】
本発明に係わる発電プラントにおいて、前記第２装置に収納される前記物質は、炭酸ガスと反応して炭酸リチウムとして回収し、かつ炭酸ガスを放出して炭酸ガスの反応前の形態に戻る性質を有する炭酸ガス吸収材であることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるコ・ジェネレーション発電プラントを図面を参照してを詳細に説明する。
図１は、改質器と、ガスタービンを含む発電装置（またはリン酸型燃料電池の発電装置）とからなる第１装置を備えたコ・ジェネレーション発電プラントである。この発電プラントは、改質器１と、改質後の燃料の酸化反応によって電力および温水を得る発電装置２と、前記改質器２および発電装置２の間に介装され、前記酸化反応の過程で生成する炭酸ガスを回収・放出する第２装置である炭酸ガス分離装置３とを基本構成とする。前記ガスタービンを含む発電装置２は、燃焼器、ガスタービンおよび廃熱回収ボイラを組み合わせたコンバインドサイクルからなる。前記発電装置２から電力供給線４、温水供給管５がプラント外部に向って敷設され、前記炭酸ガス分離装置３から炭酸ガス供給管６がプラント外部に向って敷設されている。
【０００８】
図２は、改質器と、発電装置である溶融炭酸塩型燃料電池とからなる第１装置を備えたコ・ジェネレーション発電プラントである。この発電プラントは、改質器１と、改質後の水素もしくは一酸化炭素を燃料の酸化反応によって電力および温水を得る燃料電池からなる発電装置２と、この燃料電池からなる発電装置２のアノードガス回収系に連結され、前記酸化反応の過程で生成する炭酸ガス（前記溶融炭酸塩型燃料電池からなる発電装置２の燃料極出口側から排出される炭酸ガス）を回収・放出するする第２装置である炭酸ガス分離装置３とを基本構成とする。前記発電装置２から電力供給線４、温水供給管５がプラント外部に向って敷設され、前記炭酸ガス分離装置３から炭酸ガス供給管６がプラント外部に向って敷設されている。なお、前記炭酸ガス分離装置３で炭酸ガスを回収、分離した後の燃料成分（水素、一酸化炭素）は前記溶融炭酸塩型燃料電池の燃料ガス（アノードガス）として利用することが可能である。
【０００９】
前記炭酸ガスが供給されるプラント外部とは、例えば透光性の天蓋を有する空間に炭酸ガスを放出させて農作物を栽培する農業生産者、炭酸ガスを原料としてスチレン・尿素などの合成を行なう化学工業の企業家等の炭酸ガスの需要家を挙げることができる。いずれの需要家も炭酸ガスのみならず、温熱も目的達成のために必要とする。
【００１０】
前記改質器１は、メタン、石油、石炭等の炭化水素系燃料を炭化水素系燃料を触媒作用により水素、一酸化炭素および炭酸ガスを含むガスに変換するものであれば、いかなる形態のものでもよい。また、炭酸ガスの必要性の程度によっては触媒作用により生成された一酸化炭素をさらに水素に転換する変成器を併設してもよい。
【００１１】
前記炭酸ガス分離装置３は、炭酸ガスを物理的もしくは化学的に吸収して温熱された炭酸ガスを回収し、かつその炭酸ガスを放出することが可能な物質が収納されている。
【００１２】
炭酸ガスを物理的に吸収して温熱された炭酸ガスを回収し、かつその炭酸ガスを放出することが可能な物質としては、例えばゼオライト等を用いることができる。
【００１３】
炭酸ガスを化学的に吸収して温熱された炭酸ガスを回収し、かつその炭酸ガスを放出することが可能な物質としては、例えば炭酸ガスと反応して炭酸リチウムとして回収し、かつ炭酸ガスを放出して炭酸ガスの反応前の形態に戻る性質を有する炭酸ガス吸収材等を用いることができる。
【００１４】
特に、後者の炭酸ガス吸収材が好適である。この吸収材は、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケルおよびジルコニウムから選ばれる酸化物を主体とするリチウム化合物が挙げられる。これらの吸収材は、次式（１）〜（５）に従って炭酸ガスを吸収して回収し、その逆反応によって炭酸ガスを放出する。
【００１５】
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ここで、前記（１）式の反応は３５０℃以下の温度で特に起き易い。
【００１６】
前記（２）式の反応は３１０℃以下の温度で特に起き易い。
前記（３）式の反応は４００℃以下の温度で特に起き易い。
前記（４）式の反応は４５０℃以下の温度で特に起き易い。
【００１７】
前記（５）式の反応は５５０℃以下の温度で特に起き易い。
前記各炭酸ガス吸収材は、前記温度以下で炭酸ガスを含むガスと接触させることにより炭酸ガスを吸収して回収し、これら温度以上に加熱することにより炭酸ガスを放出することができる。つまり、放出された炭酸ガスは所定の温度に温熱された状態になる。
【００１８】
前記電力供給線４、温水供給管５および炭酸ガス供給管６は、それぞれ電力、温水、温熱された炭酸ガスをプラント外部に供給できるものであれば、どのような形態であってよいが、炭酸ガス供給管６と温水供給管５とは、前記温熱された炭酸ガスと前記温水とを随伴してプラント外部に供給するための配管系統にすることが必要である。
【００１９】
具体的には、図３に示すように温水供給管５と炭酸ガス供給管６とを直接接触させた形態でプラント外部に向って敷設する。図４に示すように温水供給管５と炭酸ガス供給管６とを直接接触させ、かつこれら配管５，６周囲を断熱材７で覆った形態でプラント外部に向って敷設する。これらの配管系統において、温水供給管５と炭酸ガス供給管６とは必要に応じて両管の間で熱伝達が可能な距離で近接は位置してもよい。ただし、熱効率の観点から図３、図４に示すように直接接触させることが好ましい。
【００２０】
また、図５に示すように配管８内に温水９と炭酸ガス１０との両者を供給し、この配管８周囲を断熱材７で覆った形態でプラント外部に向って敷設する。図６に示すように内管１１と外管１２とからなる二重管構造にし、前記内管１１および外管１２のいずれかに温水、炭酸ガスを供給し、この二重管の周囲を断熱材７で覆った形態でプラント外部に向って敷設する。
【００２１】
前述した形態で、特に図４〜図６の形態にすることによって、温水の冷却を効果的に抑制することが可能になる。
以上説明した本発明に係わるコ・ジェネレーション発電プラントは、炭化水素系燃料の酸化反応により電力と温水を生成する第１装置と、前記燃料を前記第１装置により酸化反応させる過程で発生する炭酸ガスを物理的もしくは化学的に吸収して温熱された炭酸ガスを回収し、かつその炭酸ガスを放出することが可能な物質が収納された第２装置と、前記温水と前記温熱された炭酸ガスを随伴してプラント外部に供給するための配管系統とを具備した構成を有する。
【００２２】
このような構成によれば、温水と前記温熱された炭酸ガスを随伴させる配管系統を敷設することによって、供給過程で温水が冷却されるのを温熱された炭酸ガスにより抑制できるため、炭酸ガスのみならず、熱エネルギーの大きい温水をプラント外部に供給することができる。
また、炭化水素系燃料の酸化反応により電力と温水を生成する第１装置から排出される炭酸ガスを効率よく回収して炭酸ガスの排出を抑制することができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を前述した図面を参照して詳細に説明する。
（実施例１）
ＬＮＧを燃料とするコンバインドサイクル発電により前述した図１に示す発電プラントを組立てた。改質器１で水蒸気によるメタン改質、一酸化炭素の転化を行なってＨ2 ７９％，ＣＯ２％，ＣＯ2 １８％，ＣＨ4 １％（体積比率、ドライベース）を生成し、これらガスを平均粒径１μｍのリチウムジルコネートが４トン充填された炭酸ガス分離装置３に供給して炭酸ガスを分離回収した。炭酸ガスを分離した改質ガスをコンバインドサイクルの発電装置２に供給し、発電を行なった。
【００２４】
前記炭酸ガス分離装置３で回収した炭酸ガスを放出して１００℃の温熱炭酸ガスとし、かつ前記発電装置２における発電時に蒸気タービン復水器の熱を利用して８０℃の温水を作り、これら温水と温熱炭酸ガスを前述した図４に示す温水供給管５と炭酸ガス供給管６とが互いに接触され、それらの周囲を断熱材７で覆った配管系統でプラント外部に供給した。
【００２５】
（実施例２）
ＬＮＧを燃料とするリン酸型燃料電池により前述した図１に示す発電プラントを組立てた。改質器１で水蒸気によるメタン改質、一酸化炭素の転化を行なってＨ2 ７９％，ＣＯ  ０％，ＣＯ2 ２０％，ＣＨ4 １％（体積比率、ドライベース）を生成し、これらガスを平均粒径１μｍのリチウムジルコネートが２トン充填された炭酸ガス分離装置３に供給して炭酸ガスを分離回収した。炭酸ガスを分離した改質ガスをリン酸型燃料電池からなる発電装置２に供給し、発電を行なった。
【００２６】
前記炭酸ガス分離装置３で回収した炭酸ガスを放出して１００℃の温熱炭酸ガスとし、かつ前記発電装置２における電池本体の廃熱を利用して８０℃の温水を作り、これら温水と温熱炭酸ガスを前述した図４に示す温水供給管５と炭酸ガス供給管６とが互いに接触され、それらの周囲を断熱材７で覆った配管系統で需要家に供給した。
【００２７】
（実施例３）
ＬＮＧを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池により前述した図２に示す発電プラントを組立てた。改質器１で水蒸気によるメタン改質、一酸化炭素の転化を行なってＨ2 ７９％，ＣＯ  ０％，ＣＯ2 ２０％，ＣＨ4 １％（体積比率、ドライベース）を生成し、溶融炭酸塩型燃料電池からなる発電装置２の燃料極（アノード）側に導入し、発電を行なった。前記溶融炭酸塩型燃料電池からなる発電装置２の燃料極出口側から排出されたガスを平均粒径１μｍのリチウムジルコネートが２トン充填された炭酸ガス分離装置３に供給して炭酸ガスを分離回収した。この炭酸ガス分離装置３で炭酸ガスを分離した後の燃料成分（水素、一酸化炭素）を前記溶融炭酸塩型燃料電池の燃料極側にリサイクルした。
【００２８】
前記炭酸ガス分離装置３で回収した炭酸ガスを放出して１００℃の温熱炭酸ガスとし、かつ前記発電装置２における電池本体の廃熱を利用して８０℃の温水を作り、これら温水と温熱炭酸ガスを前述した図４に示す温水供給管５と炭酸ガス供給管６とが互いに接触され、それらの周囲を断熱材７で覆った配管系統で需要家に供給した。
【００２９】
（比較例１）
炭酸ガス分離装置を配設しない以外、実施例１と同様な発電プラントを組み立て、ＬＮＧを燃料とするコンバインドサイクル発電を行なった。ただし、炭酸ガス分離装置を配設しなかったために炭酸ガス供給管も発電プラント内に組み込まなかった。
【００３０】
（比較例２）
炭酸ガス分離装置を配設しない以外、実施例２と同様な発電プラントを組み立て、リン酸型燃料電池で発電を行なった。ただし、炭酸ガス分離装置を配設しなかったために炭酸ガス供給管も発電プラント内に組み込まなかった。
【００３１】
（比較例３）
炭酸ガス供給管および温水供給管をそれぞれ独立して需要家に向けて敷設した以外、実施例３と同様な発電プラントを組み立て、ＬＮＧを燃料とするリン酸型燃料電池で発電を行なった。
【００３２】
（比較例４）
炭酸ガス供給管および温水供給管をそれぞれ独立して需要家に向けて敷設した以外、実施例２と同様な発電プラントを組み立て、ＬＮＧを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池で発電を行なった。
【００３３】
実施例１および比較例１において、１ＭＷ出力の電力を確保するようにコンバインドサイクル発電を行なった際の発電効率、炭酸ガス排出量を調べた。また、炭酸ガス回収率および温水の供給時温度と需要家での温水温度の差から算出した温水供給熱効率を調べた。これらの結果を下記表１に示す。
【００３４】
また、実施例２，３および比較例２〜４において、５００ＫＷ出力の電力を確保するように燃料電池で発電を行なった際の発電効率、炭酸ガス排出量を調べた。また、炭酸ガス回収率および温水の供給時温度と需要家での温水温度の差から算出した温水供給熱効率を調べた。これらの結果を下記表１に示す。
【００３５】
【表１】
0003651746.tif 000003
【００３６】
前記表１から明らかなように本発明に係わる実施例１〜３のコ・ジェネレーション発電プラントは、比較例１〜４の発電プラントに比べて炭酸ガスの排出量の抑制と大きな熱エネルギーを持つ温水の供給を達成することができることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、ガスタービンや燃料電池の酸化反応で随伴する炭酸ガスを発電プロセス中で効率よく回収し、この回収時に温熱された炭酸ガスを放出し、温水と随伴して需要家に供給することによって、高効率、低コストで炭酸ガスの排出抑制を実現し、かつ熱エネルギーの大きな温水を需要家に供給することが可能なコ・ジェネレーション発電プラントを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるコ・ジェネレーション発電プラントを示す概略図。
【図２】本発明に係わる別のコ・ジェネレーション発電プラント示す概略図。
【図３】温熱された炭酸ガスと温水とを随伴して需要家に供給するための配管系統を示す概略図。
【図４】温熱された炭酸ガスと温水とを随伴して需要家に供給するための配管系統を示す概略図。
【図５】温熱された炭酸ガスと温水とを随伴して需要家に供給するための配管系統を示す概略図。
【図６】温熱された炭酸ガスと温水とを随伴して需要家に供給するための配管系統を示す概略図。
【符号の説明】
１…改質器、
２…発電装置、
３…炭酸ガス分離装置、
４…電力供給線、
５…温水供給管
６…温熱炭酸ガス供給管
７…断熱材。
【図１】
0003651746.tif 000004
【図２】
0003651746.tif 000005
【図３】
0003651746.tif 000006
【図４】
0003651746.tif 000007
【図５】
0003651746.tif 000008
【図６】
0003651746.tif 000009