(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気発生設備と、この蒸気発生設備で発生した蒸気を用いて発電を行うタービンと、このタービンで排出された蒸気を凝縮させる復水器と、この復水器で凝縮された復水を前記蒸気発生設備へ循環する給水ポンプと、この給水ポンプの下流側に設けられ給水を加熱する給水加熱器とを有する発電プラントの蒸気の供給を受けて、水素を製造する水素製造装置において、
メタノール、エタノール及びジメチルエーテルのいずれかを用いて水蒸気改質により水素を含有する生成ガスを製造する改質器と、
この製造された生成ガスから高純度の水素を分離する水素分離器と、
前記蒸気発生設備で発生した蒸気の熱を前記改質器に供給するために熱媒体を循環させる中間ループと、
前記中間ループを介して蒸気の熱を伝達する中間熱交換器とを有し、
この中間熱交換器の凝縮水又は凝縮水と未凝縮の蒸気との混合物を前記給水加熱器に供給し、給水の加熱に供することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記中間ループは、熱媒体として水を循環し前記中間熱交換器で蒸気に変換されて熱を伝達すること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記改質器での排熱を用いて予熱したメタノール、エタノール及びジメチルエーテルのいずれかと水蒸気の混合ガスを、前記改質器に供給する混合気予熱器を有することを特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
【請求項４】
蒸気発生設備と、この蒸気発生設備で発生した蒸気を用いて発電を行うタービンと、このタービンで排出された蒸気を凝縮させる復水器と、この復水器で凝縮された復水を前記蒸気発生設備へ循環する給水ポンプと、この給水ポンプの下流側に設けられ給水を加熱する給水加熱器とを有する発電プラントの蒸気の供給を受けて、水素を製造する水素製造装置において、
メタノール、エタノール及びジメチルエーテルのいずれかを用いて水蒸気改質により水素を含有する混合ガスを製造する改質器と、
この製造された混合ガスから高純度の水素を分離する水素分離器と、
前記蒸気発生設備で発生した蒸気の熱を前記改質器に供給するために熱媒体を循環させる主蒸気分岐配管と、
前記改質器の排熱を用いて予熱したメタノール、エタノール及びジメチルエーテルのいずれかと水蒸気の混合ガスを、前記改質器に供給する混合気予熱器とを有し、
この混合気予熱器の凝縮水を前記給水加熱器に供給し、給水の加熱に供することを特徴とする水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と電力とを必要に応じて発生させタービン効率の向上を図れる水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、発電と水素製造を同時に行うプラントとして、水素・電力併産プラントが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この従来の水素・電力併産プラントについて、図５を用いて説明する。
【０００４】
本図に示すように、発電プラント２２の蒸気発生設備１、例えば、沸騰水型原子炉で発生した蒸気は、主蒸気配管１５を介して高圧タービン２４に供給され、高圧タービン２４を回転させ、続いて低圧タービン２６に導かれ低圧タービン２６を回転させることにより発電機３を回転させ電力を発生させている。
【０００５】
この高圧・低圧タービン２４、２６で仕事をした蒸気は、復水器４で凝縮されて復水となり、復水ポンプ５で昇圧され、低圧給水加熱器６で加熱され、さらに給水ポンプ７で昇圧され、高圧給水加熱器２で加熱されて、給水配管１８によって再び蒸気発生設備１に戻されて循環している。
【０００６】
また、高圧タービン２４の出口蒸気の一部は、中間熱交換器加熱側入口配管１６を介して中間熱交換器８へ導かれる。この中間熱交換器８で熱交換することにより、中間ループ１９を介して熱を輸送する。この熱は、水素製造プラント２３内の水素の改質に用いられる改質器９を加熱するのに使用される。
【０００７】
また、中間熱交換器８で熱交換した蒸気は、中間熱交換器加熱側出口配管１７を介して混合気予熱器１０へ導かれる。この混合気予熱器１０で熱交換し、さらに低圧タービン２６へ導かれ、高圧タービン２４から直接送られた蒸気と共に低圧タービン２６を回転するのに使用される。
【０００８】
水素製造プラント２３において、原料供給装置１３から輸送された原料（メタノール、エタノール又はジメチルエーテルと水蒸気の混合ガス）は、混合気予熱器１０で加熱され改質器９で水素に改質される。この改質器９で製造された発生ガスには、水素以外のガスも含まれているため水素分離器１４で水素のみが分離される。
【特許文献１】特開２００４−２２４６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した従来の水素・電力併産プラントにおいて、発電プラントの蒸気発生設備１で発生した蒸気の熱は、中間熱交換器８を介して中間ループ１９に伝達される。この中間ループ１９を介して水素製造プラント２３の改質器９を加熱するときは、できる限り多くの蒸気を発電に利用するためには、改質器９において効率的な熱伝達を行う必要がある。このためには、中間ループ１９の熱媒体として比熱の大きい水を用い、かつその凝縮するときの熱を利用することが有効である。
【００１０】
一例として２５０℃での飽和蒸気と過熱蒸気による熱伝達を比較すると、１ｋｇの飽和蒸気の凝縮で発生する熱量が１７１５ｋＪであるのに対し、１ｋｇの過熱蒸気の温度変化によるエンタルピ差のみで得られる熱量は、８００℃から２５０℃という極めて大きな温度差を考えても約１３４０ｋＪでしかない。
【００１１】
しかし、従来の水素・電力併産プラントにおいては、この排熱回収の点について十分な配慮がなされておらず、熱媒体循環手段を備えるとの記載はあるものの、熱伝達方法についての具体的手段は確立されていない、という課題があった。
【００１２】
また、国内の全ての商業用原子力発電所で用いられている軽水炉（沸騰水型及び加圧水型）のように、蒸気発生設備で発生した蒸気が飽和蒸気である場合、中間熱交換器で加熱に使用すれば、必ず凝縮が発生する。
【００１３】
しかしながら、従来の水素・電力併産プラントでは、中間熱交換器で発生した凝縮水について十分な配慮がなされておらず、中間熱交換器の加熱側出口配管をタービン入口に接続している。このような構成とした場合、中間熱交換器で発生した凝縮水がタービンへ流入することとなり、タービン効率の低下やタービン内部構造物のエロージョンに直結する、という課題があった。
【００１４】
また、高速増殖炉や高温ガス炉のように蒸気発生設備で発生した蒸気が過熱蒸気である場合、さらには火力発電所のようにボイラで過熱蒸気を発生させる場合であっても、できる限り多くの蒸気を発電に利用するためには、中間熱交換器における凝縮熱を利用することが有効である。この場合においても、やはり凝縮水が発生するために、この熱交換後の凝縮水をタービンへ導くことは、タービン効率の低下やタービンの内部構造物のエロージョンの原因になる、いう課題があった。
【００１５】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、発電プラントの蒸気発生設備で発生した蒸気の熱を中間ループで水素製造プラントの改質器へ効率的に伝達し、さらに中間熱交換器で加熱に利用した蒸気を凝縮して発生させた凝縮水を適切に処理してタービン効率の低下やタービンの内部構造物のエロージョンを抑制できる水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置においては、蒸気発生設備と、この蒸気発生設備で発生した蒸気を用いて発電を行うタービンと、このタービンで排出された蒸気を凝縮させる復水器と、この復水器で凝縮された復水を前記蒸気発生設備へ循環する給水ポンプと、この給水ポンプの下流側に設けられ給水を加熱する給水加熱器とを有する発電プラントの蒸気の供給を受けて、水素を製造する水素製造装置において、メタノール、エタノール及びジメチルエーテルのいずれかを用いて水蒸気改質により水素を含有する生成ガスを製造する改質器と、この製造された生成ガスから高純度の水素を分離する水素分離器と、前記蒸気発生設備で発生した蒸気の熱を前記改質器に供給するために熱媒体を循環させる中間ループと、前記中間ループを介して蒸気の熱を伝達する中間熱交換器とを有し、この中間熱交換器の凝縮水又は凝縮水と未凝縮の蒸気との混合物を前記給水加熱器に供給し、給水の加熱に供することを特徴とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置においては、蒸気発生設備と、この蒸気発生設備で発生した蒸気を用いて発電を行うタービンと、このタービンで排出された蒸気を凝縮させる復水器と、この復水器で凝縮された復水を前記蒸気発生設備へ循環する給水ポンプと、この給水ポンプの下流側に設けられ給水を加熱する給水加熱器とを有する発電プラントの蒸気の供給を受けて、水素を製造する水素製造装置において、メタノール、エタノール及びジメチルエーテルのいずれかを用いて水蒸気改質により水素を含有する混合ガスを製造する改質器と、この製造された混合ガスから高純度の水素を分離する水素分離器と、前記蒸気発生設備で発生した蒸気の熱を前記改質器に供給するために熱媒体を循環させる主蒸気分岐配管と、前記改質器の排熱を用いて予熱したメタノール、エタノール及びジメチルエーテルのいずれかと水蒸気の混合ガスを、前記改質器に供給する混合気予熱器とを有し、この混合気予熱器の凝縮水を前記給水加熱器に供給し、給水の加熱に供することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の水素製造装置によれば、発電プラントの蒸気発生設備で発生した蒸気の熱を中間ループで水素製造プラントの改質器へ効率的に伝達し、また中間熱交換器で加熱に利用した蒸気を凝縮して発生させた凝縮水を給水加熱器に導出することにより、タービン効率の向上を図りタービンの内部構造物のエロージョンを大幅に抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る水素製造装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施の形態の水素・電力併産プラントの構成を示す構成図である。
【００２１】
本図に示すように、発電プラント２２の蒸気発生設備１として、一例として、沸騰水型原子炉が採用されている。この蒸気発生設備１で発生した蒸気は、主蒸気配管１５を介して高圧タービン２４に導かれ、この高圧タービン２４を回転させる。この蒸気は高圧タービン２４を回転させ後に低圧タービン２６に導かれ、低圧タービン２６を回転される。この高圧タービン２４と低圧タービン２６とは発電機３と軸を直結しており、発電機３を回転させて電力を発生させる。
【００２２】
この高圧・低圧タービン２４、２６で仕事をした蒸気は、復水器４へ輸送され凝縮され復水となる。この復水は、復水ポンプ５で昇圧され、低圧給水加熱器６で加熱されて高温の給水となる。さらに、この給水は、給水ポンプ７で昇圧され、高圧給水加熱器２で加熱されて、給水配管１８を介して再び蒸気発生設備１へ循環される。
【００２３】
上記蒸気発生設備１で発生した蒸気の一部は、必要に応じて弁等の切り換えまたは開閉によって主蒸気配管１５から分岐され、中間熱交換器加熱側入口配管１６を介して中間熱交換器８へ輸送される。この中間熱交換器８において、熱交換を行い中間ループ１９内の水は飽和蒸気に変換される。この中間熱交換器加熱側出口配管１７は、発電プラント２２の高圧給水加熱器２に接続されている。中間熱交換器８で凝縮した水又は凝縮水と未凝縮の蒸気との混合物は高圧給水加熱器２へ輸送され給水を加熱するのに使用される。なお、中間熱交換器加熱側出口配管１７は、その導かれる蒸気の温度によって弁等の切り換えまたは開閉等によって低圧給水加熱器６に接続してもよい。また、低圧給水加熱器６または高圧給水加熱器２のみに配管を接続してよいのはもちろんである。
【００２４】
上記の中間ループ１９において、中間熱交換器８で発生した飽和蒸気は改質器９へ輸送される。この改質器９において、メタノール、エタノール又はジメチルエーテルと水蒸気の混合ガスから、水素と二酸化炭素を主成分とする生成ガスが製造される。この化学反応は、吸熱反応であるため、継続して進行させるためには外部から熱を供給する必要がある。この熱は、中間熱交換器８から輸送した蒸気を凝縮することにより伝達される。
【００２５】
中間ループ１９の改質器９の出口側には、混合気予熱器１０が設置されている。この混合気予熱器１０において、原料となるメタノール、エタノール又はジメチルエーテルと水蒸気の混合ガスの加熱源として、改質器９で凝縮した水又は凝縮水と未凝縮の蒸気との混合物の持つ排熱が利用される。混合気予熱器１０で完全に凝縮し温度の低下した水は、ドレンタンク１１に蓄積され、循環ポンプ１２により再び中間熱交換器８に循環され飽和蒸気に変換される。
【００２６】
このように構成された本実施の形態において、水素製造プラント２３では、メタノール、エタノール又はジメチルエーテルのうちいずれかの原料と水蒸気の混合ガスは、原料供給装置１３から混合気予熱器１０を介して改質器９へ輸送される。この改質器９において、加熱され、さらに触媒の働きを利用した化学反応により水素と二酸化炭素を主成分とする生成ガスが製造される。この製造された生成ガスから、水素分離器１４において水素のみを抽出し、高純度の水素を製造することが可能となる。
【００２７】
本実施の形態によれば、蒸気発生設備１で発生した蒸気は、中間熱交換器８における加熱に利用され、凝縮した水は高圧給水加熱器２に供給されてその加熱源として利用されるので、タービンへの凝縮水流入によるタービン効率低下又はタービン内部構造物のエロージョンを大幅に抑制することが可能となる。
【００２８】
ここで中間熱交換器８では蒸気（気体）から水（液体）への相変化に伴う潜熱を利用するので、中間熱交換器８の加熱用に分岐する蒸気の流量を最小限とし、発電のために高圧タービン２４へ送る蒸気の流量を最大とすることができる。また、中間ループ１９では、水から蒸気又は蒸気から水への物質の相変化に伴う潜熱を利用するので、中間熱交換器８で回収した熱を凝縮熱伝達により効率的に改質器９へ輸送することが可能となる。
【００２９】
このように、沸騰水型原子炉である蒸気発生設備１で発生した蒸気の熱を中間ループ１９で水素製造プラント２３の改質器９へ効率的に伝達すると共に、中間熱交換器８において加熱に利用して凝縮された水は高圧給水加熱器２に供給されるので、タービンへの凝縮水流入によるタービン効率低下又はタービン内部構造物のエロージョンを大幅に抑制することが可能となる。
【００３０】
図２は、本発明の第２の実施の形態の水素・電力併産プラントの構成を示す構成図である。
【００３１】
この実施の形態は、第１の実施の形態の蒸気発生設備１として超臨界圧水冷却炉を設けたものであり、第１の実施の形態と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００３２】
本図に示すように、発電プラント２２の蒸気発生設備１として、原子炉の一形式である超臨界圧水冷却炉が設置されている。この蒸気発生設備１で発生した超臨界圧状態の蒸気は、高圧タービン２４に供給され高圧タービン２４を回転させる。この蒸気は、高圧タービン２４を回転させた後に、中圧タービン２５を回転させ、さらに低圧タービン２６を回転することにより発電機３で電力を発生させる。高圧、中圧、低圧タービン２４、２５、２６で仕事をした蒸気は、復水器４へ輸送され凝縮されて復水となる。この復水は、復水ポンプ５によって低圧給水加熱器６を介して加熱され高温となる。高温となった給水は、脱気器２７を経由して、さらに給水ポンプ７により、再び蒸気発生設備１へ循環される。
【００３３】
一部の蒸気は、必要に応じて高圧タービン２４と中圧タービン２５の間から分岐され、中間熱交換器８へ輸送される。なお、蒸気の分岐は、高圧タービン２４の上流又は高圧タービン２４のいずれかの段落から行ってもよい。中間熱交換器加熱側出口配管１７は、発電プラント２２の高圧給水加熱器２に接続されている。この中間熱交換器８で熱交換を行った蒸気は、一部又は全部が凝縮して高圧給水加熱器２へ輸送され給水を加熱するのに使用される。なお、中間熱交換器加熱側出口配管１７は、蒸気の圧力、温度によって必要に応じて弁を介して脱気器２７又は低圧給水加熱器６に接続してもよい。
【００３４】
本実施の形態によれば、超臨界圧水冷却炉である蒸気発生設備１で発生した蒸気の熱を中間ループ１９を介して水素製造プラント２３の改質器９へ効率的に伝達すると共に、中間熱交換器８において加熱に利用して凝縮した水は高圧給水加熱器２に供給されるので、タービンへの凝縮水流入によるタービン効率低下又はタービン内部構造物のエロージョンを大幅に抑制することができる。
【００３５】
図３は、本発明の第３の実施の形態の水素・電力併産プラントの構成を示す構成図である。
【００３６】
この実施の形態は、第１の実施の形態の蒸気発生設備１として加圧水型原子炉を設けたものであり、第１の実施の形態と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００３７】
本図に示すように、発電プラント２２の蒸気発生設備１として、加圧水型原子炉の蒸気発生器が設置されている。第１、２の実施の形態で示した沸騰水型原子炉及び超臨界圧水冷却炉の発生蒸気には放射性物質が含まれている。この加圧水型原子炉の蒸気発生器で発生した蒸気には放射性物質が含まれない。このため、図１、２に示すように、第１、２の実施の形態では中間ループ１９を設置し、水素製造プラント２３に放射性物質が流出しないようにして改質器９に熱を伝達している。この蒸気発生設備１として加圧水型原子炉の蒸気発生器を設置した場合には、この中間ループは不要となる。
【００３８】
上記の加圧水型原子炉２８と蒸気発生設備１は、より高温の水が流れるホットレグ２９及びより低温の水が流れるコールドレグ３０によって連結され、循環ループを形成している。循環ループ内の水は沸騰しないように加圧され、コールドレグ３０に設置した一次冷却材循環ポンプ３１によって循環され、加圧水型原子炉２８で発生した熱は蒸気発生設備１に伝達される。
【００３９】
上記の蒸気発生設備１で発生した蒸気の一部は主蒸気配管１５から必要に応じて弁を介して分岐され、主蒸気分岐管１５ａを経由して水素製造プラント２３の改質器９へ輸送され熱交換される。この改質器９の出口側には、混合気予熱器１０が設置されている。この混合気予熱器１０において、原料となるメタノール、エタノール又はジメチルエーテルと水蒸気の混合ガスの加熱源として、改質器９で凝縮した水又は凝縮水と未凝縮の蒸気との混合物の熱が利用される。
【００４０】
この混合気予熱器１０の加熱側出口側配管１７ａは高圧給水加熱器２に接続されている。混合気予熱器１０で凝縮された水の熱を利用して給水を加熱する。なお、混合気予熱器１０の加熱側出口配管１７ａは、蒸気の圧力、温度によって必要に応じて弁を介して脱気器２７又は低圧給水加熱器６に接続してもよい。
【００４１】
なお、蒸気発生設備１として、高速増殖炉の蒸気発生器又は高温ガス炉の蒸気発生器を設置してもよい。
【００４２】
本実施の形態によれば、加圧水型原子炉の蒸気発生器である蒸気発生設備１で発生した蒸気が改質器９における加熱に利用され、さらに凝縮した水は高圧給水加熱器２に供給されその加熱に利用されるので、タービンへの凝縮水流入によるタービン効率低下やタービン内部構造物のエロージョンを抑制することができる。
【００４３】
また、上記の改質器９では蒸気から水への相変化に伴う潜熱を利用するので、改質器９の加熱用に分岐する蒸気の流量を最小限とし、発電のために高圧タービン２４へ送る蒸気の流量を最大とすることができる。
【００４４】
上述の結果、発電プラント２２の蒸気発生設備１で発生した蒸気の熱を水素製造プラント２３の改質器９へ効率的に伝達すると共に、改質器９でも加熱に利用した蒸気を適切に処理してタービン効率の低下やタービンの内部構造物のエロージョンを大幅に抑制することができる。
【００４５】
図４は、本発明の第４の実施の形態の水素・電力併産プラントの構成を示す構成図である。
【００４６】
この実施の形態は、第１の実施の形態の蒸気発生設備１として火力ボイラを設けたものであり、第１の実施の形態と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００４７】
本図に示すように、発電プラント２２の蒸気発生設備１として、火力ボイラが設置されている。本実施の形態においても、この火力ボイラで発生した蒸気には放射性物質が含まれないので、中間ループは不要となる。
【００４８】
高圧タービン２４から中圧タービン２５へ輸送される蒸気の一部は分岐され、水素製造プラント２３の改質器９へ輸送され熱交換に利用される。改質器９出口側には混合気予熱器１０が設置されている。
【００４９】
この混合気予熱器１０において、原料となるメタノール、エタノール又はジメチルエーテルと水蒸気の混合ガスの加熱源として、改質器９で凝縮した水又は凝縮水と未凝縮の蒸気との混合物の熱が利用される。
【００５０】
混合気予熱器１０の加熱側出口側配管１７ａは、高圧給水加熱器２に接続されている。この混合気予熱器１０で凝縮した水の熱で給水を加熱している。なお、混合気予熱器１０の加熱側出口側配管１７ａは、蒸気の圧力、温度によって必要に応じて弁を介して脱気器２７又は低圧給水加熱器６に接続してもよい。
【００５１】
本実施の形態によれば、火力ボイラである蒸気発生設備１で発生した蒸気の熱が水素製造プラント２３の改質器９における加熱に利用され、さらに凝縮した水は高圧給水加熱器２に供給されるので、タービンへの凝縮水流入によるタービン効率低下又はタービン内部構造物のエロージョンを大幅に抑制することができる。
【００５２】
さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、蒸気発生設備として石炭プラントに変更してもよく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の水素・電力併産プラントの構成を示す構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の水素・電力併産プラントの構成を示す構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の水素・電力併産プラントの構成を示す構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の水素・電力併産プラントの構成を示す構成図。
【図５】従来の水素・電力併産プラントの構成を示す構成図。
【符号の説明】
【００５４】
１…蒸気発生設備、２…高圧給水加熱器、３…発電機、４…復水器、５…復水ポンプ、６…低圧給水加熱器、７…給水ポンプ、８…中間熱交換器、９…改質器、１０…混合気予熱器、１１…ドレンタンク、１２…循環ポンプ、１３…原料供給装置、１４…水素分離器、１５…主蒸気配管、１６…中間熱交換器加熱側入口配管、１７…中間熱交換器加熱側出口配管、１８…給水配管、１９…中間ループ、２２…発電プラント、２３…水素製造プラント、２４…高圧タービン、２５…中圧タービン、２６…低圧タービン、２７…脱気器、２８…原子炉、２９…ホットレグ、３０…コールドレグ、３１…一次冷却材循環ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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