(57)【要約】【課題】石炭を発電資源に用いながら高効率な発電システムをもたらすことにある。【解決手段】ＭＨＤ発電装置１のＭＨＤ発電機１ｂからの排ガスの廃熱を石炭ガス化炉２により石炭ガスの化学エネルギーに転換する熱化学的石炭ガス化工程と、前記石炭ガス化炉２を経た前記排ガスの廃熱を燃料予熱器３により石炭ガス燃料の顕熱として回収する予熱工程と、前記燃料予熱器３を経た前記排ガスの廃熱をＩＳシステム４での沃素−硫黄反応により水素エネルギーに転換する沃素−硫黄反応工程と、の三段階の工程で、ＭＨＤ発電機１ｂの高温度の排ガスの廃熱を化学エネルギーと燃料の顕熱として回収し、その回収したエネルギーを前記ＭＨＤ発電装置１の燃焼器１ａへ再循環させて石炭ガス燃料を純酸素で燃焼させることを特徴とするＭＨＤ単独高効率発電方法である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＨＤ発電装置のＭＨＤ発電機からの排ガスの廃熱を石炭ガス化炉により石炭ガスの化学エネルギーに転換する熱化学的石炭ガス化工程と、
前記石炭ガス化炉を経た前記排ガスの廃熱を燃料予熱器により石炭ガス燃料の顕熱として回収する予熱工程と、
前記燃料予熱器を経た前記排ガスの廃熱を沃素−硫黄反応により水素エネルギーに転換する沃素−硫黄反応工程と、
の三段階の工程で、ＭＨＤ発電機の高温度の排ガスの廃熱を化学エネルギーと燃料の顕熱として回収し、
その回収したエネルギーを前記ＭＨＤ発電装置の燃焼器へ再循環させて石炭ガス燃料を純酸素で燃焼させることを特徴とする、ＭＨＤ単独高効率発電方法。
【請求項２】
二酸化炭素を含まない石炭ガスと水素との混合燃料を純酸素により燃焼させる燃焼器と、その燃焼プラズマを動作流体として発電するＭＨＤ発電機とを有するＭＨＤ発電装置と、
前記ＭＨＤ発電機からの高温の排ガスの廃熱で石炭と水とを、二酸化炭素と水分とを含む混合石炭ガスに改質する石炭ガス化炉と、
前記石炭ガス化炉からの混合石炭ガスと前記ＭＨＤ発電機からの高温の排ガスとを混合した高温の混合石炭ガスの廃熱で、前記混合燃料を予熱する燃料予熱器と、
前記燃料予熱器からの混合石炭ガスの廃熱で、水を沃素−硫黄反応により、前記二酸化炭素を含まない石炭ガスに混合する水素と、前記燃焼器に送る酸素とに分解する沃素−硫黄反応装置と、
前記沃素−硫黄反応装置から排出されフィルターを通って不純物を除去された混合石炭ガスから加圧および断熱膨張により二酸化炭素を液化除去して、前記二酸化炭素を含まない石炭ガスを得る二酸化炭素／燃料分離装置と、
を具えてなる、ＭＨＤ単独高効率発電システム。
【請求項３】
前記沃素−硫黄反応装置は、前記燃料予熱器からの混合石炭ガスの廃熱で、前記二酸化炭素を含まない石炭ガスを予熱することを特徴とする、請求項２記載のＭＨＤ単独高効率発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発電資源として石炭を用い、その石炭の燃焼プラズマを動作流体とするＭＨＤ（ｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ：電磁流体力学）発電の方法およびシステムに関し、特に、ＭＨＤ単独で高効率の発電を行う方法およびシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼器で発生させた燃焼プラズマをＭＨＤ発電機に通して発電するＭＨＤ発電装置は、燃焼プラズマを動作流体とする最も高温の熱機関であり、通電性を有するプラズマ状態を生成する必要上、その動作温度の下限は約２０００℃である。それゆえ、２０００℃以下のエネルギーを無駄にせず電力として有効に取り出すために、ＭＨＤ発電装置およびそれを作動させるための周辺機器を含む従来のＭＨＤ発電システムは、蒸気タービンサイクルを併用する「ＭＨＤ−蒸気複合サイクル」を基本設計概念として構成されていた。
【０００３】
また従来のＭＨＤ発電システムは、燃焼プロセスとしては空気を酸化剤とする燃焼を主としており、高温の燃焼温度を実現するために空気をＭＨＤ発電機の廃熱で予熱していた。すなわちそこでは、ＭＨＤ発電機の廃熱の一部が予熱空気として燃焼器へ再循環され、残りが蒸気サイクルヘ循環して発電に寄与するというエネルギーフローが基本であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらかかるサイクルでは、第１に、蒸気サイクルの効率により、蒸気サイクルでエネルギーの１／２以上が冷却水へ無駄に放出されること、第２に、ＭＨＤ発電装置の燃焼器への再循環エネルギーが少ないため高い燃焼温度を得ることが難しいこと、従って酸素富化が必要であり、結果的に５０〜５５％の全体効率しか期待できないこと、第３に、空気燃焼であるため燃焼生成物に多数の窒素酸化物が含まれ、ＮＯｘ  対策と共に二酸化炭素の分離回収を著しく困難にしていること、といった問題点がある。
【０００５】
さらに、従来の石炭燃焼型ＭＨＤ発電システムでは、酸素富化空気と石炭とを直接混合して燃焼させる方法が採られている。この場合、固体石炭灰粒子の熱幅射損失が大きいことからプラズマの温度ひいては電気伝導率が低くなり、大出力発電のためには大規模な発電機を要するので経済性に問題があること、また溶融石炭灰が機壁に付着して発電機壁の耐久性を著しく下げること、といった問題点もある。
【０００６】
それゆえこの発明は、石炭を発電資源に用いながら、従来のＭＨＤ発電システムでは解決が困難とされる上記の諸問題を解消し、かつ二酸化炭素の完全液化回収が可能で、従来のＭＨＤ発電システム、新鋭ガスタービン発電システム、その他如何なる複合発電システムよりも高効率なＭＨＤ単独発電システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１記載のこの発明のＭＨＤ単独高効率発電方法は、ＭＨＤ発電装置のＭＨＤ発電機からの排ガスの廃熱を石炭ガス化炉により石炭ガスの化学エネルギーに転換する熱化学的石炭ガス化工程と、前記石炭ガス化炉を経た前記排ガスの廃熱を燃料予熱器により前記石炭ガス燃料の顕熱として回収する予熱工程と、前記燃料予熱器を経た前記排ガスの廃熱を沃素−硫黄反応により水素エネルギーに転換する沃素−硫黄反応工程と、の三段階の工程で、ＭＨＤ発電機の高温度の排ガスの廃熱を化学エネルギーと燃料の顕熱として回収し、その回収したエネルギーを前記ＭＨＤ発電装置の燃焼器へ再循環させて石炭ガス燃料を純酸素で燃焼させることを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２記載のこの発明のＭＨＤ単独高効率発電システムは、二酸化炭素を含まない石炭ガスと水素との混合燃料を純酸素により燃焼させる燃焼器と、その燃焼プラズマを動作流体として発電するＭＨＤ発電機とを有するＭＨＤ発電装置と、前記ＭＨＤ発電機からの高温の排ガスの廃熱で石炭と水とを、二酸化炭素と水分とを含む混合石炭ガスに改質する石炭ガス化炉と、前記石炭ガス化炉からの混合石炭ガスと前記ＭＨＤ発電機からの高温の排ガスとを混合した高温の混合石炭ガスの廃熱で、前記混合燃料を予熱する燃料予熱器と、前記燃料予熱器からの混合石炭ガスの廃熱で、水を沃素−硫黄反応により、前記二酸化炭素を含まない石炭ガスに混合する水素と、前記燃焼器に送る酸素とに分解する沃素−硫黄反応装置と、前記沃素−硫黄反応装置から排出されフィルターを通って不純物を除去された混合石炭ガスから加圧および断熱膨張により二酸化炭素を液化除去して、前記二酸化炭素を含まない石炭ガスを得る二酸化炭素／燃料分離装置と、を具えてなるものである。
【０００９】
なお、この発明のＭＨＤ単独高効率発電システムにおいては、前記沃素−硫黄反応装置が、前記燃料予熱器からの混合石炭ガスの廃熱で、前記二酸化炭素を含まない石炭ガスを予熱することとすると、より高効率となるので好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明のＭＨＤ単独高効率発電方法の一実施例を行うための、この発明のＭＨＤ単独高効率発電システムの一実施例を示すシステム構成図、図２は、その実施例のＭＨＤ発電システムのＭＨＤ発電機効率とシステム効率との関係を示す関係線図である。
【００１１】
図１に示す上記実施例のＭＨＤ発電システムは、主な構成要素として、燃焼器１ａとＭＨＤ発電機１ｂとデフューザー１ｃとを有するＭＨＤ発電装置１と、水注入型高温石炭ガス化炉２と、蓄熱型燃料予熱器３と、沃素−硫黄反応装置としてのＩＳシステム４と、フィルター５と、二酸化炭素／燃料分離装置としての圧縮−膨張型ＣＯ２／燃料分離システム６と、酸素製造装置７とを具えている。
【００１２】
この実施例のＭＨＤ発電システムにあっては、ＣＯ２／燃料分離システム６で二酸化炭素から分離された体積比約２：１の一酸化炭素と水素とを主成分とする石炭ガス燃料が、ＩＳシステム４で水の分解により製造される水素と混合された後、蓄熱型燃料予熱器３を通って約２０００℃に加熱されてからＭＨＤ発電装置１の燃焼器１ａに投入される。燃焼器１ａでの燃焼用の酸素は、ＩＳシステム４の生成物および別途酸素製造装置７で空気分離により製造される液化酸素である。
【００１３】
すなわち、この実施例のＭＨＤ発電システムによる、上記実施例のＭＨＤ発電方法は、以下のような工程によってＭＨＤ発電を行う。ＭＨＤ発電装置１の燃焼器１ａでは、図１では最下段に示す  ＣＯ２／燃料分離システム６から蓄熱式燃料予熱器  （Ｐｒｅｈｅａｔｅｒ）３を通して送られてくる、石炭ガス燃料（一酸化炭素および水素）とＩＳシステム４での沃素−硫黄反応プロセス（ＩＳプロセス）  で生産される水素との混合燃料を、純酸素で燃焼させる。なお、ＩＳシステム４で生産される水素は、蓄熱式燃料予熱器３に入る前の段階で、ＣＯ２を含まないＣＯとＨ２からなる上記石炭ガス燃料に混ぜ合わされる。
【００１４】
ＭＨＤ発電はプラズマで動作するので、燃焼器１ａでは、燃焼ガスに電気伝導性を持たせるように少量の炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）をシードとして添加する。このシードは、高温度で熱分解（解離）し、さらにカリウムが電離して、電子とＫイオンになる。
【００１５】
燃焼器１ａ内で燃焼プラズマとなった燃焼ガスは、ＭＨＤ発電機１ｂ内を通ってそこでＭＨＤ発電を行わせる。ＭＨＤ発電機１ｂを出た高温の燃焼ガス（ＭＨＤ排ガス）は、デフューザー（Ｄｉｆｆｕｓｅｒ）１ｃで圧力を回復するとともに、図示しない蒸気サイクルへ適当量の熱を分け与える。蒸気タービンおよびそれによって駆動する発電機等からなるこの蒸気サイクルは、その蒸気サイクルへの熱分配が無いとすると燃焼温度が実際上高くなりすぎる場合があるため付加しているものであり、その主目的は燃焼温度の制御であるが、効率の改善にも資することができる。
【００１６】
デフューザー１ｃを出たＭＨＤ排ガスはその全体を１としたときのα（１未満の所定数）の割合の部分と１−αの割合の部分との二つに分けられ、その一方であるα割合の部分は石炭ガス化炉２に入り、他方である１−α割合の部分は石炭ガス化炉２を迂回する。これは以下の理由による。石炭ガス化炉２の役目は、石炭をＭＨＤ発電動作のための気体燃料としての石炭ガスに改質することで高温のＭＨＤ廃熱を化学エネルギーとして回収すると同時に、残った石炭灰（スラグ）を下流の工程での操作のために除去するというものである。石炭投入量は決まっているので回収できる熱は一定であり、従ってガス化段階におけるガス温度の低下量は定まっている。そこで、石炭ガス化炉２の出口温度が石炭灰の融点以上でかつ蒸発温度以下（例えばここでは１７００Ｋ）になるようにα割合を設定してガス分離を行う。
【００１７】
石炭ガス化炉２を出たＭＨＤ排ガスと石炭ガスとの混合ガス（ＣＯ，Ｈ２，ＣＯ２，Ｈ２Ｏ  およびＫ２ＳＯ４）は、石炭ガス化炉２を迂回した高温度のＭＨＤ排ガスと混合されて燃料予熱器３へ入る。それゆえ燃料予熱器３の入口のガス温度は１７００Ｋより高い。この燃料予熱器３において下流のＣＯ２／燃料分離システム６から送られてくるＣＯ，Ｈ２（Ｈ２はガス化炉２で生産する水素とＩＳシステム４で水の分解により生産される水素との和）混合ガス燃料を加熱する過程で、一定量の熱がその混合ガス燃料に渡され、ＭＨＤ排ガスと石炭ガスとの混合ガスは更に温度を下げる。約１３００Ｋ程度まで温度が下がったガスは最後にＩＳシステム４に入ってＩＳプロセスでの沃素と硫黄の合成・分解反応に熱を与え、結果的に、ＩＳシステム４の外部から注入する水を水素と酸素に分解する。すなわちこの段階で、最後に残ったＭＨＤ廃熱によりＩＳシステム４の効率に見合う水素が生産されて、ＭＨＤ廃熱が水素の化学エネルギーとして再生される。なお、ＩＳシステム４で同時に生産される酸素は、昇圧されて燃焼器１ａへ送られる。
【００１８】
ＩＳシステム４を出たＭＨＤ排ガスと石炭ガスとの混合ガスは、ほぼ１気圧で、１００  ℃以下であり、そこに含まれる水蒸気は水になっている。そこで先ず、この混合ガスからフィルター５で、水分および、石炭中の硫黄とシードとの反応でできたＫ２ＳＯ４が取り除かれ、その後この混合ガス（ＣＯ，Ｈ２，ＣＯ２）は、ＣＯ２／燃料分離システム６の、モーター（Ｍ）６ａで駆動する圧縮機（ＣＰ）６ｂで気相のまま（理想過程として）温度一定で約５０気圧に加圧され、次にタービン（Ｔ）６ｃで断熱的に約１０気圧まで膨張して約２２４  Ｋまで温度を下げる。この時のタービン出口温度（２２４Ｋ）は、ＣＯ２の液化温度以下であるが、ＣＯとＨ２の液化温度よりは高い。従って、ＣＯ２はＣＯ２分離器６ｅで液体として取り除かれ、深層あるいは深海へ貯留される。
【００１９】
ＣＯ２／燃料分離システム６を出た石炭ガス燃料（ＣＯおよびＨ２）は、２２４  Ｋから室温近くまでＩＳシステム４の廃熱で予熱された後、蓄熱型燃料予熱器３を経由してＭＨＤ発電装置１の燃焼器１ａへ戻り、酸素で燃焼する。このように酸素で燃焼させる理由は、生成物が実質的にＣＯ２とＨ２Ｏ  のみであり、高温度での石炭熱分解型ガス化に都合が良いことと、ＣＯ２の分離回収が容易なこととの二つの理由による。
【００２０】
この実施例のＭＨＤ発電システムの構成機器およびこの実施例のＭＨＤ発電方法の工程は、現在の技術レベルで実施可能であり、ブレークスルーを期待しなければならないような性能は必要としない。すなわち、ＭＨＤ発電装置１に関しては、旧ソ連の天然ガス燃焼型５０万ＫＷ発電所の建設計画を始め、米国における１万５千ｋＷ石炭燃焼ＭＨＤ発電開発実績等多くの実績がある。また高温石炭ガス化炉２に関しては、過去に米国ＡＶＣＯ社においてＭＨＤ燃焼ガスを模擬した実験研究例と共に、石炭ガス化ガスタービン複合発電（ＩＧＣＣ）の開発に関連して研究開発が各国で実施されている。そして蓄熱型燃料予熱器３に関しては、石炭ガスを対象とした実績はないが、旧ソ連のＭＨＤ発電開発研究プロジェクトで２０００℃までの空気加熱の実績がある。また、ＩＳシステム４のＩＳプロセスに関しては、ＭＨＤ発電システムに組み込んだ例はないが、高温ガス冷却型原子炉の熱利用を目的とした開発研究が現在日本原子力研究所で実施されており、実用化の可能性が高いプロセスである。
【００２１】
図２に示すシステム効率は、ＭＨＤ発電機１ｂの効率として５〜３０％  （０．０５〜０．３０）、ＩＳシステム４のＩＳプロセスの効率として３５〜５０％  （０．３５〜０．５０）を想定して計算している。ＭＨＤ発電機１ｂの効率に関しては、旧ソ連で設計、一部建設が行われたＵ−５００  発電所の２４．５  ％が最大であり、算出基準としては現実的な技術範囲である。また、ＩＳプロセスの熱効率としては、４９％の実績が報告されており、今後更に高い効率も期待される。そして、酸素製造動力は、現在の商用プラントの値を参考にしている。
【００２２】
但し、二酸化炭素を液化回収するＣＯ２／燃料分離システム６のプロセスに関しては実際の例がないので、ここでは新規に以下のプロセスを想定している。すなわち、フィルター５で水分と固体粒子（硫化カリウムＫ２ＳＯ４）を除去した石炭ガス（ＣＯとＨ２）とＣＯ２との混合ガスは、上述したように、先ず圧縮機６ｂにより等温（８２℃）の下で１気圧から５０気圧へ昇圧され、次に圧力タービン６ｃにより５０気圧から１０気圧へ断熱的に膨張する。これにより混合ガス温度は、１０気圧における二酸化炭素の液化温度−３９℃以下の−４９℃になり、二酸化炭素は液化分離される。一方、一酸化炭素と水素はこの温度、圧力では液化しないので膨張を続け、タービン６ｃと同軸のターボ発電機６ｄから圧力降下に応じた電力が取り出される。それゆえこの実施例のシステムでは、二酸化炭素の液化分離は比較的低動力で行うことが可能であり、このことは、ＭＨＤ燃焼プロセスを酸素燃焼とすることによって可能となっている。
【００２３】
従って、この実施例のＭＨＤ発電方法およびこの実施例のＭＨＤ発電システムによれば、蒸気サイクルを用いずにＭＨＤ単独で発電システムを構成しているので、蒸気サイクルでエネルギーの１／２以上が冷却水へ無駄に放出されるということがなく、しかもＭＨＤ発電装置１の燃焼器１ａへの再循環エネルギーが多いので、６０％を超える全体効率を期待でき、さらに、純酸素燃焼であるので燃焼生成物に窒素酸化物が含まれないため、ＮＯｘ  対策を不要にし得ると共に、二酸化炭素の分離回収も液化によって容易に行うことができる。
【００２４】
さらに、この実施例のＭＨＤ発電方法およびこの実施例のＭＨＤ発電システムによれば、石炭ガスを純酸素で燃焼させるため、石炭をそのまま燃焼させる場合の固体石炭灰粒子の熱幅射損失がないことから、プラズマの温度ひいては電気伝導率を高めることができるので、小規模の発電機で大出力発電を行い得て経済性を高めることができる。また溶融石炭灰が機壁に付着して発電機壁の耐久性を著しく下げるということもないので、発電機の耐久性を高めることができる。
【００２５】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載の範囲内で適宜変更することができるものである。
【００２６】
【発明の効果】
かくしてこの発明のＭＨＤ発電方法およびＭＨＤ発電システムによれば、石炭を発電資源に用いながら、従来のＭＨＤ発電システムでは解決が困難とされる前述の諸問題を解消し、かつ二酸化炭素の完全液化回収が可能で、従来のＭＨＤ発電システム、新鋭ガスタービン発電システム、その他如何なる複合発電システムよりも高効率な発電システムをもたらすことができる。
【００２７】
そしてこのことにより期待されるこの発明のＭＨＤ発電方法およびＭＨＤ発電システムの効果は、以下の通りである。
（イ）エネルギー科学技術における効果としては、酸素燃焼技術の発展、クリーンコール技術の発展、水素製造技術の発展およびガス分離技術の発展をもたらすことができる。
（ロ）経済効果としては、単機高効率発電システムであるため、在来の複合発電と比較して大幅な建設コスト、電力コストの低減をもたらすことがでされる。
ハ）社会的効果としては、環境負荷の低減、地球温暖化対策技術の発展、省資源効果および石炭資源利用によるエネルギーの長期安定確保効果をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＭＨＤ単独高効率発電方法の一実施例を行うためのこの発明のＭＨＤ単独高効率発電システムの一実施例を示すシステム構成図である。
【図２】上記実施例のＭＨＤ発電システムのＭＨＤ発電機効率とシステム効率との関係を示す関係線図である。
【符号の説明】
１  ＭＨＤ発電装置
１ａ  燃焼器
１ｂ  ＭＨＤ発電機
１ｃ  デフューザー
２  石炭ガス化炉
３  燃料予熱器
４  ＩＳシステム
５  フィルター
６  ＣＯ２／燃料分離システム
６ａ  モーター
６ｂ  圧縮機
６ｃ  タービン
６ｄ  発電機
６ｅ  ＣＯ２分離器
【図１】
2004229374.tif 000003
【図２】
2004229374.tif 000004