(57)【要約】【課題】火力発電設備の燃料燃焼工程で発生したＣＯ２やＣＯを有効利用し、同時にこれらの排出を抑制することができるシステムを提供する。【解決手段】火力発電設備（１）と、水分解光触媒水素製造設備（２）と、化学合成設備（３）とを有し、化学合成設備（３）は、火力発電設備（１）から排出されるＣＯ２およびＣＯおよび水分解光触媒製造設備（２）で生成する水素を原料として利用して有機物を合成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火力発電設備と、水分解光触媒水素製造設備と、該火力発電設備から排出されるＣＯ２およびＣＯおよび該水分解光触媒製造設備で生成する水素を原料として利用して有機物を合成する化学合成設備とを有することを特徴とする複合型火力発電システム。
【請求項２】
前記火力発電設備からの排出蒸気を熱源として利用する海水淡水化設備をさらに有し、該海水淡水化設備で製造された淡水が前記水分解光触媒製造設備に供給される、請求項１に記載の複合型火力発電システム。
【請求項３】
前記水分解光触媒水素製造設備で副生成する酸素が前記火力発電設備に供給される、請求項１または２に記載の複合型火力発電システム。
【請求項４】
前記有機物は、アルコール類またはアルカン類である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の複合型火力発電システム。
【請求項５】
前記化学合成設備で副生成する水が、前記水分解光触媒水素製造設備に供給される、請求項１〜４のいずれか１つに記載の複合型火力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電設備において発生する温室効果ガスであるＣＯ２および毒性の強いＣＯの大気への排出を低減させることができる複合型発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電設備において、石油、石炭等の化石燃料を燃料として燃焼させると、ＣＯ２やＣＯを排出することは周知である（非特許文献１）。
【０００３】
地球温暖化を防止する観点から、温室効果ガスであるＣＯ２の排出は抑制されることが望まれ、また、ＣＯもその強い毒性から排出抑制が望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“石炭の利用価値と利用方法の進化”、［online］、［平成２３年１０月２４日検索］、インターネット〈URL:http://www.sekitanland.com/hg/index.htm〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
火力発電設備から排出される炭酸系ガス（ＣＯ２、ＣＯ）を原料として有効利用することができれば、同時に炭酸系ガスの排出の抑制も図ることができるので、そのようなシステムは理想的である。
【０００６】
そこで、本発明は、火力発電設備の燃料燃焼工程で発生したＣＯ２やＣＯを有効利用し、同時にこれらの排出を抑制することができるシステム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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の複合型火力発電システムは、火力発電設備と、水分解光触媒水素製造設備と、該火力発電設備から排出されるＣＯ２およびＣＯおよび該水分解光触媒製造設備で生成する水素を原料として利用して有機物を合成する化学合成設備とを有することを特徴とする。
【０００８】
このような複合型火力発電システムにすることで、火力発電設備で排出されるＣＯ２、ＣＯをメタノールなどの有機物合成の原料とすることが可能になり、温室効果ガスであるＣＯ２を（また毒性の強いＣＯを）排出しないクリーンな複合型発電システムを形成することができる。
【０００９】
また、本発明の複合型火力発電システムにより、化学エネルギーとして有効に利用される工業的に有益なメタノール等の有機物および再利用可能な水を得ることが可能となる。
【００１０】
好ましくは、上記複合型火力発電システムは、前記火力発電設備からの排出蒸気を熱源として利用する海水淡水化設備をさらに有し、該海水淡水化設備で製造された淡水が前記水分解光触媒製造設備に供給される。
【００１１】
好ましくは、前記水分解光触媒水素製造設備で副生成する酸素が前記火力発電設備に供給される。
【００１２】
好ましくは、前記有機物は、アルコール類またはアルカン類である。
【００１３】
好ましくは、前記化学合成設備で副生成する水が、前記水分解光触媒水素製造設備に供給される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、火力発電設備から排出されるＣＯ２、ＣＯの全量と、水分解光触媒水素製造設備で生成する水素ガスを原料として有効利用して、有機物（メタノール等）が製造される。メタノール等の有機物は貯蔵・輸送され、別途有効に利用される。これにより、本発明の複合型発電システムにおいてカーボンニュートラルを達成することができる。
【００１５】
火力発電設備で使用する燃料の違い（ＬＮＧ、石炭）によるＣＯ２、ＣＯの排出ガス量の差異は、その発電設備の規模を変更することで対応され、排出Ｃ量を全量有機物に変更することが可能である。
【００１６】
また、化学合成設備で副生成した水は、水分解光触媒水素製造設備に供給されて、有効に再利用される。
【００１７】
場合（設備環境）によっては海水淡水化設備が不要となり、当該設備のコンパクト化が可能となる。
【００１８】
また、水分解光触媒製造設備で副生成した酸素を火力発電設備における燃料燃焼場に賄い利用することにより、燃料燃焼のための投入空気量を低減させることが可能となり、そのため投入窒素量（空気含有）も低減させられ、結果として火力発電設備からの窒素酸化物ＮＯｘの発生量の低減に繋がることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態１の複合型火力発電システムを説明するフローシートである。
【図２】コンバインドサイクル火力発電設備を説明する内部概略図である。
【図３】水分解光触媒水素製造設備を示す概略図である。
【図４】実施の形態２の複合型火力発電システムを説明するフローシートである。
【図５】実施の形態３の複合型火力発電システムを説明するフローシートである。
【図６】汽力発電システムを用いた火力発電設備を説明する内部概略図である。
【図７】実施の形態４の複合型火力発電システムを説明するフローシートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の複合型火力発電システムについて詳細に説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の複合型火力発電システムを説明するフローシートである。
【００２２】
本実施の形態１の複合型火力発電システムは、火力発電設備（１）と、水分解光触媒水素製造設備（２）と、化学合成設備（３）とを有し、化学合成設備（３）は、火力発電設備（１）から排出されるＣＯ２およびＣＯおよび水分解光触媒製造設備（２）で生成する水素を原料として利用して有機物を合成する。
【００２３】
火力発電設備（１）として、例えば、燃料を燃焼させたガスでタービンを回転させるガスタービンと、燃料燃焼の排熱回収ボイラで生成した蒸気でタービンを回転させる蒸気タービンとを有するコンバインドサイクル火力発電が挙げられる。なお、以降の実施の形態２〜４とは異なり、本実施の形態１では、火力発電設備（１）で排出されるＣＯ２およびＣＯおよび発生した電力のみを利用する構成であるので、火力発電設備における蒸気の利用は必須ではない。
【００２４】
図２は、コンバインドサイクル火力発電設備を説明する内部概略図である。
【００２５】
コンバインドサイクル火力発電システムは、発電機（１１）と、ガスタービン（１２）と、蒸気タービン（１３）とを有し、ガスタービン（１２）には、空気圧縮機（１４）からの圧縮空気と燃料（例えばＬＮＧ、石油など）とが導入され、燃料の燃焼によりガスタービン（１２）が回転し、この回転により発電機（１１）にて発電が行われる。燃料燃焼後に生じるガスタービン（１２）からの排気は、排熱回収ボイラ（１５）に送られ、ここで、別途取り込んだ海水などとの熱交換により冷却され、脱硝・脱硫装置（１６）に送られた後に、発電設備から排気される。この排気は、ＣＯ２、ＣＯを含んでいる。また、排熱回収ボイラ（１５）に供給された海水などの水は、熱交換により蒸気となり、蒸気タービン（１３）に送られて、蒸気タービン（１３）を回転させ、その後、蒸気の状態で発電設備から出る。
【００２６】
水分解光触媒水素製造設備（２）は、太陽光と光触媒の作用により水を水素と酸素に分解する設備である。
【００２７】
図３は、水分解光触媒水素製造設備を示す概略図である。
【００２８】
水分解光触媒水素製造設備（２）は、上部の陽極室（２１）と、この陽極室（２１）に一端側にて連結する下部の陰極室（２２）とを備えている。陽極室（２１）には、太陽光により酸素を生成させる触媒作用を有する陽極光触媒（例えば、ＴａＯＮ、Ｔａ３Ｎ５、ＴｉＯ２−ｘＮｘ、ＢｉＶＯ４、ＷＯ３など）（２３）が陽極として備えられ、陰極室（２２）には、水素を生成させる触媒作用を有する陰極触媒（例えば、Ｐｔなど）（２４）が陰極として備えられている。
【００２９】
水は、一端側上端から陽極室（２１）に導入され、一端側の連通路から陰極室（２２）に通り、他端側下端を介して水分解光触媒水素製造設備（２）から出る。
【００３０】
火力発電設備（１）からの電力が電源（２５）に供給され、太陽光が照射されると、陽極光触媒（２３）の触媒作用により、酸素が発生する。発生した酸素は、陽極室（２１）中央部上端に設けられた通気孔（２６）から排出される。また、陰極室（２２）では、陰極触媒（２４）の触媒作用により、水素が発生する。発生した水素は、陰極室（２２）中央部の所定区間に設けられた区画（２７）を経て、陰極室（２２）の他端側から排出される。
【００３１】
化学合成設備（３）には、火力発電設備（１）からの炭酸系ガス（ＣＯ２、ＣＯ）および電力が供給され、水分解光触媒水素製造設備（２）から水素が供給され、これらを原料として有機物が合成される。
【００３２】
合成される有機物として、例えば、メタノールが挙げられ、この場合、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒を用いて、下記式に従ってメタノールが製造される。
【００３３】
ＣＯ２  ＋  ３Ｈ２  →  ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ    ・・・（１）
ＣＯ  ＋  ２Ｈ２  →  ＣＨ３ＯＨ                ・・・（２）
この反応における副生成物である水は、水分解光触媒水素製造設備（２）に再利用されてもよい。
【００３４】
次に、本実施形態１の複合型火力発電システムを用いた場合について実施例１として具体的に説明する。
【００３５】
（実施例１）
火力発電設備（１）として、コンバインドサイクル火力発電設備を用いた。高位発熱量ベース（ＨＨＶ基準）の発電効率は５０％であり、火力発電燃料として液化天然ガス（ＬＮＧ）、石油などを用いた。発電規模（出力）は２５０ＭＷであった。
【００３６】
水分解光触媒水素製造設備（２）について、太陽エネルギー変換効率は４％、設備（光触媒電極）面積は２８，０００ｍ２（例えば５ｋｍ×５．６ｋｍ）、場内消費電力量：２×１０６ｋＷｈ／ｄａｙ、水素製造規模（出力）：３５０ｔ／ｄａｙ−Ｈ２とした。
【００３７】
日照時間を８ｈと仮定し、ある程度の日射強度（６ｋＷｈ／ｍ２／ｄａｙ）が得られるとすると、水分解光触媒設備（２）によって昼間３２００ｔの淡水が水素（３５０ｔ）と酸素に分解される。その際に場内で消費される電力量は反応を促進させるための補助的な電力量が主となり２，０００ＭＷｈ／ｄａｙと概算される。
【００３８】
化学合成設備（３）をメタノール合成設備とし、反応温度：２５０℃、反応圧力：５ＭＰａ、合成触媒はＣｕ／ＺｎＯ／（酸化物）とする。ここで、酸化物としては、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｇａ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３などの１種以上の組合せである。本設備におけるメタノール製造能力は１，８００ｔ／ｄａｙ−ＣＨ３ＯＨである。
【００３９】
以上の条件に基づくと、火力発電設備（１）の１日あたりの発電量は６，０００ＭＷｈ／ｄａｙであり、このために、必要な投入燃料エネルギーは発電効率５０％を考慮すると、１２，０００ＭＷｈ／ｄａｙである。
【００４０】
燃料として液化天然ガス（ＬＮＧ）を想定すると、その単位発熱量は５５ＭＪ／ｋｇ（即ち１５ｋＷｈ／ｋｇ）であるため（http://www.ecofukuoka.jp/image/custom/data/santei/hatunetu.pdf参照）、必要な投入燃料は８００ｔ／ｄａｙとなる。ＬＮＧの主成分はメタン（Ｃ：７５％）であり、そのＣ成分は約８０％と考えられるため、燃焼によりＣ成分がＣＯ２とＣＯに完全に変換されると仮定すると、発生するＣＯ２とＣＯの合計モル数は５３×１０６ｍｏｌ／ｄａｙと見込まれる。上記式（１）、（２）に示されるように、メタノール合成が行われると、生成メタノールのモル数はＣＯ２とＣＯの合計モル数と同等で５３×１０６ｍｏｌ／ｄａｙ（１７００ｔ／ｄａｙ）である。この反応で必要とされる水素ガス量は１０７×１０６〜１６０×１０６ｍｏｌ／ｄａｙ（２１０〜３２０ｔ／ｄａｙ）と概算され、化学合成設備（３）の水素製造量で十分であることが分かる。つまり、本システムにすることで火力発電設備から排出されたＣＯ２およびＣＯはメタノールに全量変換可能であることが示唆される。
【００４１】
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２の複合型火力発電システムを説明するフローシートである。
【００４２】
本実施の形態２の複合型火力発電システムは、火力発電設備（１）と、水分解光触媒水素製造設備（２）と、化学合成設備（３）と、淡水化設備（４）とを有し、化学合成設備（３）は、火力発電設備（１）から排出されるＣＯ２およびＣＯおよび水分解光触媒製造設備（２）で生成する水素を原料として利用して有機物を合成する。また、淡水化設備（４）は、火力発電設備（１）からの排出蒸気を熱源として利用し、淡水化設備（４）で製造された淡水が水分解光触媒製造設備（２）に供給される。
【００４３】
火力発電設備（１）、水分解光触媒水素製造設備（２）および化学合成設備（３）は、上記の実施の形態１のものと同様のものであるので、詳細な説明は省略する。
【００４４】
淡水化設備（４）としては、火力発電設備（１）からの蒸気を熱源として用いて海水から淡水を製造することができるものであれば特に限定はなく、例えば、多段フラッシュ法、多重効用法などを用いた設備が挙げられる。また、淡水化設備（４）を駆動するための電力は、火力発電設備（１）から供給される。
【００４５】
淡水化設備（４）により製造された淡水は、水分解光触媒水素製造設備（２）に供給される。
【００４６】
昼間に生成させられる淡水が水分解光触媒水素製造設備（２）に供給されて水素製造に利用される一方で、夜間に生成させられる淡水は飲料などの生活用水や工業用水として有効に利用される。
【００４７】
次に、本実施形態２の複合型火力発電システムを用いた場合について実施例２として具体的に説明する。
【００４８】
（実施例２）
火力発電設備（１）、水分解光触媒水素製造設備（２）および化学合成設備（３）については実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００４９】
淡水化設備（４）は、多段フラッシュ方式（ＭＳＦ）の海水淡水化設備である。造水比：６〜１０（約８）、場内消費電力量：４ｋＷｈ／ｍ３−生産淡水、淡水生産規模（出力）：４００ｔ／ｈとした。
【００５０】
淡水化システムにおける必要蒸気量（導入時温度２００℃）は、その造水比から４０〜６７ｔ／ｈであり、火力発電設備（１）から導かれる量（４５０ｔ／ｈ）を考えると可能である。また、淡水（９，６００ｔ／ｄａｙ）を生産する際に場内で消費される電力量は、３８．４ＭＷｈ／ｄａｙと概算される。
【００５１】
以上の条件に基づくと、火力発電設備（１）の１日あたりの発電量は６，０００ＭＷｈ／ｄａｙであり、このために、必要な投入燃料エネルギーは発電効率５０％を考慮すると、１２，０００ＭＷｈ／ｄａｙである。
【００５２】
燃料として液化天然ガス（ＬＮＧ）を想定すると、その単位発熱量は５５ＭＪ／ｋｇ（即ち１５ｋＷｈ／ｋｇ）であるため（http://www.ecofukuoka.jp/image/custom/data/santei/hatunetu.pdf参照）、必要な投入燃料は８００ｔ／ｄａｙとなる。ＬＮＧの主成分はメタン（Ｃ：７５％）であり、そのＣ成分は約８０％と考えられるため、燃焼によりＣ成分がＣＯ２とＣＯに完全に変換されると仮定すると、発生するＣＯ２とＣＯの合計モル数は５３×１０６ｍｏｌ／ｄａｙと見込まれる。上記式（１）、（２）に示されるように、メタノール合成が行われると、生成メタノールのモル数はＣＯ２とＣＯの合計モル数と同等で５３×１０６ｍｏｌ／ｄａｙ（１７００ｔ／ｄａｙ）である。この反応で必要とされる水素ガス量は１０７×１０６〜１６０×１０６ｍｏｌ／ｄａｙ（２１０〜３２０ｔ／ｄａｙ）と概算され、化学合成設備（３）の水素製造量で十分であることが分かる。つまり、本システムにすることで火力発電設備から排出されたＣＯ２およびＣＯはメタノールに全量変換可能であることが示唆される。
【００５３】
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３の複合型火力発電システムを説明するフローシートである。
【００５４】
本実施の形態３では、火力発電設備（１’）の燃料として石炭を用いることとし、それに伴って、汽力発電システムとする。
【００５５】
他の構成は、実施の形態２と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００５６】
図６は、汽力発電システムを用いた火力発電設備（１’）を説明する内部概略図である。
【００５７】
汽力発電システムは、発電機（１７）と、蒸気タービン（１８）と、ボイラ（１９）とを有している。ボイラ（１９）には、空気および酸素と燃料（石炭）が導入され、燃料が燃焼する。蒸気タービン（１８）には、ボイラ（１９）からの蒸気が供給されてタービンが回転する。蒸気タービン（１８）に供給される蒸気は、ボイラ（１９）との間で循環させられる。ボイラ（１９）中での燃料燃焼により生じた排気は、脱硝・脱硫装置（２０）に送られた後に、発電設備から排気される。この排気は、ＣＯ２、ＣＯを含んでいる。また、ボイラ（１９）と蒸気タービン（１８）との間を循環する蒸気の一部は、取り出されて、淡水化設備（４）に供給する。
【００５８】
次に、本実施形態３の複合型火力発電システムを用いた場合について実施例３として具体的に説明する。
【００５９】
（実施例３）
汽力発電システムに変更したことにより、発電効率は４０％に変更される。また、排出ガスのＣ成分量を考慮して出力規模を１００ＭＷに低減させる。他の点は、実施例２と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００６０】
火力発電設備（１）の１日あたりの発電量は２，４００ＭＷｈ／ｄａｙであり、このために必要な投入燃料エネルギーは発電効率４０％を考慮すると、６，０００ＭＷｈ／ｈである。
【００６１】
燃料として石炭を想定すると、その単位発熱量は２７ＭＪ／ｋｇ（即ち、７．４ｋＷｈ／ｋｇであるため（http://www.ecofukuoka.jp/image/custom/data/santei/hatunetu.pdf参照）、必要な投入燃料は、８１３ｔ／ｄａｙとなる。石炭に含まれるＣ成分は石炭の種類によって異なり、火力発電で主に使用される石炭種（亜歴青炭、褐炭）においてそのＣ成分は約７０〜８５％の範囲にある。そのため、燃焼によりＣ成分がＣＯ２とＣＯに完全に変換されると仮定すると、発生するＣＯ２とＣＯの合計モル数は４７×１０６〜５８×１０６ｍｏｌ／ｄａｙと見込まれる。上記反応式（１）および（２）に示したようにメタノール合成が行われると、生成メタノール数はＣＯ２とＣＯの合計モル数と同等で４７×１０６〜５８×１０６ｍｏｌ／ｄａｙ（１５００〜１８００ｔ／ｄａｙ）である。この反応で必要とされる水素ガス量は９５×１０６〜１７０×１０６ｍｏｌ／ｄａｙ（１９０〜３５０ｔ／ｄａｙ）と換算され、水分解光触媒水素製造設備（２）の水素製造量で十分であることが分かる。つまり、本システムにすることで火力発電設備から排出されたＣＯ２、ＣＯはメタノールに全量変換可能であることが示唆される。
【００６２】
（実施の形態４）
図７は、実施の形態４の複合型火力発電システムを説明するフローシートである。
【００６３】
本実施の形態４では、水分解光触媒水素製造設備（２）において副生成した酸素を火力発電設備（１）に供給し、その燃料燃焼工程で使用する。これにより、火力発電設備からのＮＯｘ排出低減が図られる。
【００６４】
他の点は、実施の形態２と同様であるので詳細な説明は省略する。
【符号の説明】
【００６５】
１  火力発電設備
２  水分解光触媒水素製造設備
３  化学合成設備
【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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【図６】
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【図７】
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