(57)【要約】【課題】  排ガス温度と外気温との温度差を十分確保できる排ガス中水蒸気回収システム、火力発電システム、および水蒸気回収方法を提供する。【解決手段】  実施形態によれば、排ガス中水蒸気回収システムは、燃焼排ガスから水蒸気を分離する水蒸気分離膜と、前記水蒸気分離膜を透過した排ガスを減圧する減圧手段と、前記減圧手段で減圧された排ガスを圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段で圧縮された排ガスを外気で冷却する空冷手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼排ガスから水蒸気を分離する水蒸気分離膜と、
前記水蒸気分離膜を透過した排ガスを減圧する減圧手段と、
前記減圧手段で減圧された排ガスを圧縮する圧縮手段と、
前記圧縮手段で圧縮された排ガスを外気で冷却する空冷手段と
を備えた排ガス中水蒸気回収システム。
【請求項２】
前記空冷手段で冷却された排ガス中のミストを捕集するミスト捕集手段
を備えた請求項１記載の排ガス中水蒸気回収システム。
【請求項３】
前記ミスト捕集手段の前段に設けられ、前記空冷手段で冷却された排ガスを圧力開放す
る圧力開放手段
を備えた請求項２記載の排ガス中水蒸気回収システム。
【請求項４】
前記ミスト捕集手段に付着したミストを溜める受水槽
を備えた請求項２または請求項３に記載の排ガス中水蒸気回収システム。
【請求項５】
燃料を燃焼することで生じる熱を使って蒸気を発生させるボイラーと、前記ボイラーで
発生した蒸気が持つエネルギーを発電機の駆動力に変換する蒸気タービンとを有する火力
発電システムに適用される排ガス中水蒸気回収システムであって、
前記火力発電システムがコンバインドサイクル発電システムであり、前記ボイラーが排熱
回収ボイラーであり、前記排熱回収ボイラーの後段に前記水蒸気分離装置が設けられた請
求項１乃至４のいずれか1項に記載の排ガス中水蒸気回収システム。
【請求項６】
燃料を燃焼することで生じる熱を使って蒸気を発生させるボイラーと、前記ボイラーで
発生した蒸気が持つエネルギーを発電機の駆動力に変換する蒸気タービンとを有する火力
発電システムに適用される排ガス中水蒸気回収システムであって、
前記火力発電システムは前記ボイラーから排出される排ガス中に含まれる硫化物を除去
する脱硫装置をさらに有し、
前記脱硫装置の後段に前記水蒸気分離装置が設けられた請求項１乃至４のいずれか1項
に記載の排ガス中水蒸気回収システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の排ガス中水蒸気回収システムを有する火力発電
システム。
【請求項８】
前記ボイラーから排出される燃焼排ガスから水蒸気を水蒸気分離膜で分離し、
前記水蒸気分離膜を透過した排ガスを減圧し、
減圧された排ガスを圧縮し、
圧縮された排ガスを外気で冷却する
排ガス中水蒸気回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、排ガス中水蒸気回収システム、火力発電システム、および水蒸気回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今後、工業化、人口増加が目覚ましい新興国において電力需要の増加に供給が追い付か
ない地域（特に内陸部）への火力発電プラントの設置が見込まれる。しかし、石炭火力発
電、天然ガスコンバインドサイクル火力発電（以下、「コンバインドサイクル発電」と略
称する場合がある。）では、燃料の燃焼による燃焼熱で水を気化させた蒸気でタービンを
回した後、冷却して復水する必要があり、そのために、例えば、石炭火力発電所では、冷
却媒体（海水等）を必要とする。また、蒸気タービンを動かすボイラー水には、防錆剤や
シリカなどが濃縮析出し、機器を劣化させるため、ブロー水としてボイラー水の一部を抜
き取り、抜き取った分を補給水として純水を供給する必要がある。通常、発電所外から上
水または工水を供給し、所内で純水を製造する。更に、石炭火力発電所では、脱硫水、貯
炭場での粉炭飛散防止のために散水で大量の水を必要とする。
【０００３】
大量の冷却水を確保できない地域向けでは、例えば、石炭火力発電所の冷却手段として
冷却水を復水器とクーリングタワー間を循環させ、クーリングタワーにて冷却水を強制的
に空気接触させることでその水量の１．５〜２％を気化させて、その気化熱で冷却するの
が一般的である。しかし、ここでも気化した分と冷却水中の塩濃縮による析出や腐食によ
る機劣化を防止するため冷却水の一部をブローする必要があり、それらの減少分として、
水（工水等）を補給する必要がある。例えば、空冷式復水器を採用することで発電所外か
らの補給水量を大幅に減らすことができるが、ボイラー補給水を確保するために所外から
上水または工水を供給する必要がある。
【０００４】
一方、ボイラーの排ガス中の蒸気を凝縮させて水分を回収し、プラント内で必要な水を
確保する技術がある。水蒸気分離膜で排ガス中の水蒸気を分離してから、水蒸気濃縮排ガ
スを冷却して凝縮させて水分を回収するものもある。水蒸気分離膜では水蒸気と他のガス
成分との通過速度差を利用して分離する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３３７１０６号公報
【特許文献２】特開２００６−２３０５３号公報
【特許文献３】特開２０１４−１２９７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水蒸気分離膜を透過した水蒸気濃縮排ガスは、ＣＯ２などの不凝縮ガスを含むため、低
圧下での冷却による水回収は容易ではない。更に、水の確保が難しい環境ではクーリング
タワーなどの水を大気中に放散することによる冷却は難しいため、冷熱源を確保するため
には外気による空冷を用いざるを得ない。しかし、外気による空冷は熱伝達の効率が悪い
ため、所内率が上昇したり装置が大きくなったりするなどの課題がある。更に、外気によ
る空冷は、外気温以下には冷却できず、夏季日中などは排ガス温度との温度差が十分に確
保できないため、二次媒体を使用するなどして外気温以下に冷却する手段を設けなければ
ならない。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、排ガス温度と外気温との温度差を十分確保できる排
ガス中水蒸気回収システム、火力発電システム、および水蒸気回収方法を提供することで
ある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の排ガス中水蒸気回収システムは、燃焼排ガスから水蒸気を分離する水蒸気分
離膜と、前記水蒸気分離膜を透過した排ガスを減圧する減圧手段と、前記減圧手段で減圧
された排ガスを圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段で圧縮された排ガスを外気で冷却する
空冷手段とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る火力発電システムの構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本実施形態に係る火力発電システムの構成を示す概略図である。火力発電システ
ムの一例として、ＬＮＧ専焼の火力発電所であるガスタービンコンバインドサイクル方式
の発電所を示している。コンバインドサイクルでは、一般に、燃焼器１、ガスタービン２
、発電機３、排熱回収ボイラー４、スタック（煙突）５、蒸気タービン７、復水器９、水
蒸気分離膜１１、真空ポンプ１２、圧縮冷却装置１３、水回収装置１４および受水槽１５
を備えている。
【００１２】
燃料であるＬＮＧは、空気圧縮機によって高圧に圧縮された空気と混合され、燃焼器１に
導かれて着火される。１０００℃を超える燃焼ガスのエネルギーは、ガスタービン２に回
転エネルギーとして消費され、ガスタービン２に接続された発電機３によって発電され、
電気を発生する。ガスタービン２から出た排気ガスは約５００〜６００℃となり、脱硝装
置を介して排熱回収ボイラー４に流れる。排熱回収ボイラー４は、５００℃の排気ガスの
熱エネルギーにより蒸気を発生させる熱交換方式の蒸気発生装置である。蒸気発生は、排
熱回収ボイラ内部で多段化されることで、より効率的に行われる。排熱回収ボイラー４で
発生した蒸気は、蒸気タービン７に導入され、蒸気タービン７を回転させる。蒸気タービ
ン７はガスタービン２と同軸で直結されている。ガスタービン２と蒸気タービン７とは、
発電機３を同時に回転させ、電気を効率よく生じさせる。
【００１３】
排熱回収ボイラー４からの排気ガス中には水蒸気が含まれているので、水蒸気分離膜１１
で排気ガス中の水蒸気を回収する。水蒸気分離膜１１で排気ガス中の水蒸気を回収された
排ガスは、スタック（煙突）５を通じて大気に放出される。
【００１４】
水蒸気分離膜１１は、一次側と二次側の圧力差を駆動力として水蒸気（およびその他排ガ
ス成分）を透過する。水蒸気分離膜１１の二次側に、減圧による水蒸気分離促進のため真
空ポンプ１２を導入する。数Pa〜数１０kPa程度まで減圧するが、好ましくは数kPa程度ま
で減圧する。これにより水蒸気分離膜１１は排ガス中の水蒸気を主成分とする水蒸気濃縮
排ガスを分離することができる。水蒸気分離膜１１は水蒸気以外の排ガス成分（例えば、
ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ２など）も透過するため、膜二次側を真空近くまで減圧しても水
蒸気分離膜１１を通じて不凝縮ガス（水蒸気以外の排ガス成分）が膜二次側へ流入する。
【００１５】
水蒸気濃縮排ガスは、真空ポンプ１２の二次側へ導かれ、圧縮冷却装置１３で圧縮され、
冷却される。圧縮のためにコンプレッサを備えてもよいが、真空ポンプ１２で圧縮する構
成であれば簡素となり、好ましい。水蒸気濃縮排ガスを冷却することで水を凝縮させる。
冷却装置は水が不足した環境では空冷の冷却器を用いる。
【００１６】
圧縮する際の容器は管を用いることができる。管は例えばローフィン管を用いることで、
冷却の際の伝熱性能を良好に保つことができる。更に出口に圧力制御弁と必要に応じて不
凝縮ガス排出のためのポンプを備えることで管内を圧縮する。必要な圧縮後の圧力は、外
気温と圧縮後のガス温度との関係、および熱交換器の伝熱性能やガス組成などから算出さ
れ、外気温に対して+10℃程度以上の温度となるように圧力を設定して圧縮することが望
ましい。種々の機器条件や運転条件によるが、およそ水蒸気分離に必要な膜二次側の圧力
（絶対圧）に対しておよそ1.5倍〜100倍程度まで圧縮することで、外気で冷却可能な温度
域へ圧縮し、さらにガスに含まれる水蒸気を凝縮させることができる。
【００１７】
水蒸気濃縮排ガスの通気は、多数の管に分岐して行う。更に多数の管を束ねて一つのファ
ンで外気を管外に流通させ、冷却する。排ガス温度は一般に外気よりも高いが、圧縮によ
る温度上昇分を加えることで更に温度差を得られ、圧縮しない場合に比べて冷却の効率が
高くなる。冷却されながら、水蒸気の一部は凝縮してミスト化する。
【００１８】
ここで、圧縮冷却装置１３で、煙突５入口における排ガス圧力よりも高い圧力まで圧縮さ
れた場合、水蒸気濃縮排ガスは、水回収装置１４に導かれ、ノズルなどを用いて水回収装
置１４内に放出されることで、急速に圧力が解放される。圧力解放と共に体積が大きくな
り、断熱膨張に近い状態となるので、水蒸気濃縮排ガスは温度降下する。温度降下に伴い
水蒸気の凝縮が起こり、水滴が発生する。ここで、水回収装置１４内にはミストセパレー
タが備えられているので、発生した水滴はミストセパレータに付着して回収される。ミス
トが回収された排ガスは、主配管の排ガスと混合してスタック（煙突）５へ送られ、排気
される。比較的水蒸気濃度が低い場合に、このような圧力を高くする運転が必要となる。
【００１９】
圧縮冷却装置１３で、煙突５入口における排ガス圧力よりも低い圧力まで圧縮された場合
、水蒸気濃縮排ガスは、水回収装置１４に導かれ、水回収装置１４内に備えられたミスト
セパレータにより、発生したミストは付着して回収される。ミストが回収された排ガスは
、不凝縮ガス排出のためのポンプにより主配管の排ガスと混合してスタック（煙突）５へ
送られ、排気される。比較的水蒸気濃度が高く、低い圧力でも凝縮が起こる場合にはこの
ような圧力設定をした運転をすると効率が良い。
【００２０】
ミストセパレータに付着した水滴は、徐々に成長し、やがて重力により流下・落下する。
このときミストセパレータを親水性の材質で構成し、接触角20°以下とすることで、ミス
トセパレータに付着した水滴を速やかに流下させることができる。具体的にはPET（ポリ
エチレンテレフタラート）やPEN（ポリエチレンナフタレート）、PP（ポリプロピレン）
、PE（ポリエチレン）などのフィルムや繊維に親水性や超親水性の塗料を塗布して形成し
たものを用いる。
【００２１】
水回収装置１４下方に配置された受水槽１５に水が溜まり、ポンプなどを用いて排出され
る。排出された水は不凝縮ガス成分が溶解しており酸性であるので、アルカリ塩を用いて
中和したり、逆浸透膜やイオン交換樹脂などを用いて脱塩するなどして所内で用いること
ができる。
【００２２】
なお、石炭火力発電システムの場合は、脱硫装置の後段に水蒸気分離膜１１を設置する。
【００２３】
以上詳述したように、少なくとも１つの実施形態によれば、排ガス温度と外気温との温
度差を十分確保できる。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
。
【符号の説明】
【００２５】
１…燃焼器、２…ガスタービン、３…発電機、４…排熱回収ボイラー、５…スタック（
煙突）、７…蒸気タービン、９…復水器、１１…水蒸気分離膜、１２…真空ポンプ、１３
…圧縮冷却装置、１４…水回収装置、１５…受水槽
【図１】
2018053737.tif 000003