(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガスを改質して水素と二酸化炭素等とから成る改質ガスにする改質手段と前記改質ガスから水素を分離する水素分離手段とを一体化して天然ガスの改質と水素の分離とを並行して行う改質分離装置と、前記水素を燃料として発電を行う水素発電手段と、前記水素が分離された残りの改質ガスを酸素により燃焼して発電を行う二酸化炭素発電手段とを備え、前記水素発電手段は、前記改質分離装置と一体化すると共に前記水素を燃焼させる水素燃焼器と、この水素燃焼器からの燃焼ガスにより作動するガスタービンと、このガスタービンの作動により発電を行う発電機とを備えることを特徴とする水素分離型火力発電システム。
【請求項２】
前記ガスタービンからの排ガスの顕熱を回収する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで前記排ガスと熱交換を行うことにより発電を行う複合発電手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の水素分離型火力発電システム。
【請求項３】
前記ガスタービンからの排ガスの顕熱を回収する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで前記排ガスと熱交換を行うことにより前記ガスタービンの作動流体の一部となる水蒸気を発生させる作動水蒸気発生手段とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の水素分離型火力発電システム。
【請求項４】
前記排熱回収ボイラで前記排ガスと熱交換を行うことにより前記天然ガスの改質に使用する水蒸気を発生させる改質水蒸気発生手段を備えることを特徴とする請求項２または請求項３記載の水素分離型火力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として液化天然ガス（以下「ＬＮＧ」と表記する）を用いる火力発電所のガスタービンから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を回収する火力発電システムに関する。更に詳述すると、本発明は天然ガスを改質して水素を分離することにより残りの改質ガスから二酸化炭素を回収する水素分離型火力発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、増加の一途をたどるＣＯ2 ガスによる地球の温暖化現象が世界的な問題となっており、全世界的にその削減が求められている。日本において発生するＣＯ2 の約３割は火力発電所からのもので、電気事業としても今後ＣＯ2 による地球温暖化問題については有効な対応が迫られている。
【０００３】
しかし、火力発電所から排出されるＣＯ2 は膨大な量にのぼり、これを環境保全の点からも効率的かつ経済的に回収する方式についての報告は従来ほとんどされていない。従来一般的なＣＯ2 の回収方法としては、化学吸収法や物理吸着法、膜分離法、水酸化カルシウムによる沈澱法などが挙げられる。例えば、ゼオライト系吸着剤を用い、その圧力によるガス吸着率の差異を利用して特定のガスを分離する圧力変動ＣＯ2 分離装置の採用よってＣＯ2 を全量回収することが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法は比較的小規模の装置においてＣＯ2 を取除く場合のもので、火力発電所から排出される膨大な燃焼ガス中の数％のＣＯ2 を回収し、固定化するには経済的観点から必ずしも現実的でない。すなわち、排ガス中の低濃度のＣＯ2 を回収するためには、大規模なＣＯ2 回収装置を付加する必要があるので、所要動力の上昇による送電電力量の減少と発電コストの大幅な上昇を伴ってしまう。
【０００５】
また、排ガス中の低濃度のＣＯ2を圧力変動ＣＯ2分離装置（ＰＳＡ  ＣＯ2 ）を用いて回収する場合、吸着作業を繰返して濃度を高めなければならないことから、設備費が増大し、経済的に見てかなり難しいものとなる。
【０００６】
したがって、従来のＣＯ2 を回収する方法は、化石燃料の燃焼排ガスからＣＯ2 を分離回収するものであるため、技術的には可能であっても経済的な不利益が大きくなってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、ＬＮＧを燃料とする火力発電所から排出される膨大な量のＣＯ2 を効率良く、かつ経済的に回収する火力発電システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１の水素分離型火力発電システムは、天然ガスを改質して水素と二酸化炭素等とから成る改質ガスにする改質手段と改質ガスから水素を分離する水素分離手段とを一体化して天然ガスの改質と水素の分離とを並行して行う改質分離装置と、水素を燃料として発電を行う水素発電手段と、水素が分離された残りの改質ガスを酸素により燃焼して発電を行う二酸化炭素発電手段とを備えるようにしている。
【０００９】
したがって、二酸化炭素発電手段では水素が分離された残りの改質ガスを酸素により燃焼して発電を行っているので、その排ガスをＣＯ2 とＨ2 Ｏにすることができる。このため、Ｈ2 Ｏを除去するだけでＣＯ2 の回収を容易に行うことができるようになる。そして、天然ガスを改質せずにそのまま燃焼させたときに発生する膨大な量の排ガス中からＣＯ2 を回収する必要が無くなるので、ＣＯ2 を高効率かつ低コストで容易に回収できるようになる。また、水素発電手段の他に二酸化炭素発電手段によっても発電を行うことができるので、熱損失を抑えることができる。
【００１０】
また、改質手段と水素分離手段とを一体化しているので、天然ガスの改質と並行して改質ガス中の水素を水素分離手段により改質反応系の外に出すことができる。このため、改質反応が促進されるので、改質温度を従来の８５０〜９５０℃から４５０〜５００℃に下げることができる。これにより、改質手段と水素分離手段との間で改質ガスを冷却する必要が無くなって熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００１１】
そして、請求項１の水素分離型火力発電システムでは、水素発電手段は、改質分離装置と一体化すると共に水素を燃焼させる水素燃焼器と、この水素燃焼器からの燃焼ガスにより作動するガスタービンと、このガスタービンの作動により発電を行う発電機とを備えるようにしている。
【００１２】
したがって、改質分離装置を水素燃焼器と一体化させていると共に、改質手段と水素分離手段とを一体化して改質反応を促進させて改質温度を従来よりも下げているので、天然ガスの改質に要する熱を水素の燃焼から直接得ることができる。これにより、改質手段を加熱する熱源を別個に設ける必要がないので、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。しかも、これら改質分離装置及び水素燃焼器を水素分離型火力発電システムの一要素として扱うことができる。
【００１３】
また、請求項２の水素分離型火力発電システムは、ガスタービンからの排ガスの顕熱を回収する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで排ガスと熱交換を行うことにより発電を行う複合発電手段とを備えるようにしている。したがって、水素を燃焼してガスタービンを作動させると共にその排ガスの顕熱により複合発電手段を作動させるので、複合発電を行うことができ熱損失を抑えることができる。
【００１４】
さらに、請求項３の水素分離型火力発電システムは、ガスタービンからの排ガスの顕熱を回収する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで排ガスと熱交換を行うことによりガスタービンの作動流体の一部となる水蒸気を発生させる作動水蒸気発生手段とを備えるようにしている。したがって、ガスタービンでの作動流体の一部となる水蒸気を発生させる熱源を別個に設ける必要がないので、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００１９】
また、請求項４の水素分離型火力発電システムは、排熱回収ボイラで排ガスと熱交換を行うことにより天然ガスの改質に使用する水蒸気を発生させる改質水蒸気発生手段を備えるようにしている。したがって、天然ガスの改質に使用する水蒸気を発生させる熱源を別個に設ける必要がないので、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。この水素分離型火力発電システム１は、図１に示すように天然ガス（以下、「ＮＧ」と表記する）を改質して水素と二酸化炭素等とから成る改質ガスにする改質手段２と改質ガスから水素を分離する水素分離手段３とを一体化して天然ガスの改質と水素の分離とを並行して行う改質分離装置４と、水素を燃料として発電を行う水素発電手段５と、水素が分離された残りの改質ガスを酸素により燃焼して発電を行う二酸化炭素発電手段６とを備えている。二酸化炭素発電手段６では水素が分離された残りの改質ガスを酸素により燃焼して発電を行っているので、その排ガスをＣＯ2 とＨ2 Ｏにすることができる。これにより、天然ガスを改質せずにそのまま燃焼させたときに発生する膨大な量の排ガス中からＣＯ2 を回収する必要が無くなるので、ＣＯ2 を高効率かつ低コストで容易に回収できるようになる。
【００２１】
水素分離手段３は、図２に示すように水素分離膜から成る管形状としている。この水素分離手段３は、無機多孔質のセラミック製の管の表面上に薄い緻密なセラミック層を焼結して形成されて、例えば多孔質セラミック管またはパラジウムの薄膜管あるいはストロンチウムやセシウム等の水素イオンを透過するプロトン導電物質で形成されている。そして、水素分離手段３の外部を流通する改質ガスの水素が水素分離膜を透過して水素分離手段３の内側に入り込む。また、水素分離手段３の上流側からは窒素を流し込む。この窒素は水素分離手段３の内部に溜まった水素を下流側に押し流して改質ガスから水素を引き込むいわゆる掃引ガス（sweep gas ）となる。よって、水素分離手段３の内部に高濃度の水素が溜まることはないので、水素を分離する効率を常に良好なものに維持できる。
【００２２】
水素分離手段３の周囲には、金属製の受熱管７が設けられている。改質手段２は、ニッケルベースの粒状物であり受熱管７と水素分離手段３との間に充填されている。よって、改質分離装置４の上流側から受熱管７の内側かつ水素分離手段３の外側にＮＧ及び水蒸気を送り込むことにより、これらの気体は改質手段２によって一酸化炭素，水素，二酸化炭素，水蒸気，メタンに改質される。そして、この改質ガスのうち、水素が水素分離膜を透過して水素分離手段３の内側で流通する。また、受熱管７の内側の水素分離手段３の外側には水素以外の改質ガスが流通する。さらに、本実施形態では、改質手段２の好ましい改質温度及び水素分離手段３の好ましい分離温度がいずれも約５００℃となるようにしている。但し、この温度に限られないのは勿論であるが、水素の劣化を防止するために７００℃以下とすることが望ましい。
【００２３】
改質分離装置４は、改質手段２及び水素分離手段３の他に、図３及び図４に示すように多数の受熱管７の全体の周囲を覆う胴体８と、改質手段２の上流側に設けられて受熱管７が開口するＮＧ供給室９と、ＮＧ供給室９に連結されたＮＧ供給管１０と、ＮＧ供給室９を貫通する水素分離手段３の上流側に設けられて水素分離手段３が開口する掃引ガス供給室５０と、掃引ガス供給室５０に連結された掃引ガス供給管５１と、改質手段２の下流側に設けられて受熱管７が開口する非透過ガス排出室１１と、非透過ガス排出室１１に連結された非透過ガス排出管１２と、非透過ガス排出室１１を貫通する水素分離手段３の下流側に設けられて水素分離手段３が開口する水素排出管１３とを備えている。
【００２４】
このため、ＮＧ供給管１０から導入されたＮＧ及び水蒸気は全て改質手段２に送り込まれて改質されて改質ガスとなる。改質ガスの水素は水素分離手段３で分離されてその内側に流れ込む。また、掃引ガス供給管５１から導入された掃引ガスである窒素は、掃引ガス供給室５０を経て水素分離手段３に送り込まれて内部の水素を下流側に押し流して大部分を水素排出管１３に送り込む。水素を除いた改質ガスは、非透過ガス排出室１１を経て非透過ガス排出管１２から排出される。
【００２５】
水素発電手段５は、改質分離装置４と一体化すると共に水素を燃焼させる水素燃焼器１４と、この水素燃焼器１４からの燃焼ガスにより作動するガスタービン１５と、このガスタービン１５の作動により発電を行う発電機１６とを備えるようにしている。
【００２６】
また、水素燃焼器１４は、掃引ガス供給室５０の上流側に隣接して設けられた第１燃焼室１７と、第１燃焼室１７に開口した第１水素燃焼ノズル１８と、第１水素燃焼ノズル１８に連結された空気供給管１９と、一部の水素分離手段３の下流部が受熱管７の内部でＵターンして上流側に突出して第１水素燃焼ノズル１８に連結する水素流通管２０と、胴体８の内部で受熱管７の外部の空間（以下、胴体内空間２１という）と第１燃焼室１７とを連結する上流側連通管２２と、胴体内空間２１と水素排出管１３とを連結する下流側連通管２３と、水素排出管１３からの水素及び掃引ガスと燃焼ガスを噴き出す第２水素燃焼ノズル２４と、第２水素燃焼ノズル２４から噴き出す水素及び掃引ガスと燃焼ガスが燃焼する第２燃焼室２５とを備えている。
【００２７】
このため、Ｕターンして上流側に突出した水素分離手段３からの水素が第１水素燃焼ノズル１８に供給される。そして、第１水素燃焼ノズル１８からは空気供給管１９からの空気と水素流通管２０からの水素及び窒素とが別個に噴き出す。この空気は高温であるため第１燃焼室１７で水素が混合して燃焼する。この燃焼ガスは上流側連通管２２を経て胴体内空間２１で受熱管７を加熱する。そして、胴体内空間２１を流通した燃焼ガス及び掃引ガスは下流側連通管２３により水素排出管１３に送り込まれる。水素排出管１３からの水素及び掃引ガスと燃焼ガスは第２水素燃焼ノズル２４から噴き出して第２燃焼室２５で燃焼する。
【００２８】
よって、第１燃焼室１７と第２燃焼室２５との間に改質分離装置４を配置することにより水素燃焼器１４と改質分離装置４とが一体化しているので、ＮＧの改質に要する熱を水素の燃焼から直接得ることができる。これにより、改質分離装置４を加熱して作動温度（例えば５００℃）に維持するための熱源を別個に設ける必要がないので、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００２９】
二酸化炭素発電手段６は、図１に示すように水素が分離された残りの改質ガスに酸素を加えて燃焼させる後置燃焼器４３と、この後置燃焼器４３からの燃焼ガスにより作動して発電機１６を作動させる二酸化炭素タービン４４とを備えている。このため、水素が分離された残りの改質ガス、即ち一酸化炭素，二酸化炭素，水蒸気，メタンに酸素を加えて後置燃焼器４３で燃焼させるので、その排ガスをＣＯ2 とＨ2 Ｏにすることができる。これにより、天然ガスをそのまま燃焼させたときに発生する膨大な量の排ガス中からＣＯ2 を回収する必要が無くなるので、ＣＯ2 を容易かつ低コストで高効率に回収できるようになる。また、後置燃焼器４３からの燃焼ガスにより二酸化炭素タービン４４を作動させて複合発電を行うことができるので、熱損失を抑えることができる。
【００３０】
一方、この水素分離型火力発電システム１は、ＬＮＧが導入されるＬＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２６と、ＬＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２６からのＮＧが導入されるＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２７と、ガスタービン１５からの排ガスの顕熱を回収する排熱回収ボイラ２８と、排熱回収ボイラ２８からの排ガスが導入される復水器２９と、復水器２９からの排ガスが排出される煙突３０と、復水器２９で再生されたＨ2 ＯをＮＧの改質用の水蒸気にする改質水蒸気発生手段４５と、ガスタービン１５の駆動軸３１の回転により駆動される空気圧縮機３２と、排熱回収ボイラ２８からの蒸気を利用する複合発電手段３３とを備えている。
【００３１】
改質水蒸気発生手段４５は、復水器２９で再生されたＨ2 Ｏを排熱回収ボイラ２８で排ガスと熱交換を行うことによりＮＧの改質に使用する水蒸気を発生させる。この改質水蒸気発生手段４５は、排熱回収ボイラ２８及びＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２７とこれらの内部を通過する管路とから成る。そして、復水器２９で再生されたＨ2 Ｏは送水器３９により排熱回収ボイラ２８の下流部に送り込まれて排ガスと熱交換して加熱される。このＨ2 ＯはＬＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２６からのＮＧと混合してＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２７で加熱される。さらに、これらＨ2 ＯとＮＧは排熱回収ボイラ２８の中流部に送り込まれて排ガスと熱交換して加熱される。これにより、これらＨ2 ＯはＮＧの改質用の水蒸気となる。
【００３２】
複合発電手段３３は、排熱回収ボイラ２８からの蒸気により作動する蒸気タービン３４と、蒸気タービン３４からの蒸気を液化する復水器３５と、復水器３５からの水を送り出す送水器３７と、送水器３７からの水を脱気する脱気器３６と、脱気器３６からの水を排熱回収ボイラ２８に導入する送水器３８とを備えている。このため、複数のタービン１５，４４，３４により複合発電を行うことができるので、熱損失を抑えることができる。
【００３３】
この水素分離型火力発電システム１によりＬＮＧを燃焼させて発電を行う工程を以下に説明する。
【００３４】
この水素分離型火力発電システム１に供給されたＬＮＧは、ＬＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２６に導入されて本システム１から排出されるＣＯ2 と熱交換して加熱されてＮＧとなる。一方、排熱回収ボイラ２８により排出された排ガスからＨ2 Ｏを復水器２９で再生する。そして、このＨ2 Ｏを送水器３９で送り出して排熱回収ボイラ２８の下流部で排ガスと熱交換して加熱した後、ＬＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２６からのＮＧと混合している。
【００３５】
これらＮＧとＨ2 Ｏは、ＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２７に導入されて二酸化炭素タービン４４からの排ガスと熱交換して加熱される。さらに、このＮＧとＨ2 Ｏは、排熱回収ボイラ２８の中流部で排ガスと熱交換して加熱される。このＮＧとＨ2 Ｏが、改質分離装置４のＮＧ供給管１０を通してＮＧ供給室９に供給される。本実施形態では、このときのＮＧとＨ2 Ｏの温度を約５００℃となるようにしている。これにより、改質分離装置４での改質及び分離を高効率に行うことができる。
【００３６】
このＮＧとＨ2 Ｏは、ＮＧ供給室９から各受熱管７の内部に入り込んで改質手段２に触れる。これにより、ＮＧとＨ2 Ｏが一酸化炭素，水素，二酸化炭素，水蒸気，メタンに改質される。この改質ガスのうち、水素は水素分離手段３により分離されて水素分離手段３の内部に送り込まれる。
【００３７】
また、掃引ガス供給管５１から導入された掃引ガスは、掃引ガス供給室５０から水素分離手段３に送り込まれて内部の水素を下流側に押し流して大部分を水素排出管１３に送り込む。水素排出管１３に送り込まれた水素は第２水素燃焼ノズル２４に送られる。
【００３８】
Ｕターンした一部の水素分離手段３により分離された水素は、水素流通管２０を経て第１水素燃焼ノズル１８に供給される。一方、ガスタービン１５の作動により空気圧縮機３２が作動して圧縮空気を生成する。この圧縮空気は空気供給管１９を経て第１水素燃焼ノズル１８に供給される。よって、第１水素燃焼ノズル１８から第１燃焼室１７に水素及び掃引ガスと圧縮空気とが別個に噴き出して混合して燃焼する。この燃焼ガスは上流側連通管２２により胴体内空間２１に案内されて受熱管７を外部から加熱する。これにより、ＮＧとＨ2 Ｏの改質に必要な温度（例えば５００℃）に改質分離装置４を維持することができる。
【００３９】
さらに、この燃焼ガス及び掃引ガスは胴体内空間２１から下流側連通管２３を経て水素排出管１３に供給される。そして、水素と燃焼ガス及び掃引ガスが混合して第２水素燃焼ノズル２４から第２燃焼室２５に噴出して燃焼する。この燃焼による燃焼ガスはガスタービン１５に供給される。これにより、ガスタービン１５が作動して発電機１６で発電される。ガスタービン１５からの排ガスは排熱回収ボイラ２８に送られて各種の熱交換により放熱される。排熱回収ボイラ２８から送り出された排ガスは復水器２９でＨ2 Ｏの一部を復水する。そして、復水したＨ2 Ｏの一部以外の成分、即ちＨ2 Ｏ，窒素，酸素が煙突３０から排出される。
【００４０】
一方、改質分離装置４で水素が分離された改質ガスは、非透過ガス排出室１１から非透過ガス排出管１２を経て後置燃焼室７に供給される。後置燃焼室７では酸素を加えて改質ガス中のメタンを燃焼させる。この燃焼ガスは二酸化炭素タービン４４に供給される。これにより、二酸化炭素ガスタービン１５が作動して発電機１６で発電が行われる。二酸化炭素ガスタービン１５からの排ガスはＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２７に送り込まれてＮＧ及びＨ2 Ｏと熱交換して放熱される。さらに、ＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２７からの排ガスは冷却器４０でＨ2 Ｏを分離して二酸化炭素になる。この二酸化炭素がＬＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２６に送り込まれてＬＮＧと熱交換して液化二酸化炭素となる。これにより、本発電システム１の稼働により生じた二酸化炭素を回収することができる。
【００４１】
他方、複合発電手段３３では、排熱回収ボイラ２８で排ガスと熱交換して生成された高温かつ高圧の蒸気が蒸気タービン３４に送り込まれる。これにより、蒸気タービン３４が作動して発電機１６により発電が行われる。そして、蒸気タービン３４からの蒸気が復水器３５に送り込まれる。この蒸気は復水器３５で液体になり送水器３７で脱気器３６に送り込まれる。そして、脱気が行われてから送水器３８により排熱回収ボイラ２８の中流部で排ガスと熱交換される。その後、さらに排熱回収ボイラ２８の上流部で排ガスと熱交換されて再び高圧かつ高温の蒸気となる。このように、複合発電手段３３ではＨ2 Ｏが排熱を熱源にして液体と気体とに繰り返し変態して蒸気タービン３４を作動させて発電を行う。
【００４２】
上述したように、本実施形態の水素分離型火力発電システム１によれば、二酸化炭素発電手段６では水素が分離された残りの改質ガスを酸素により燃焼して発電を行っているので、その排ガスをＣＯ2 とＨ2 Ｏにすることができる。これにより、天然ガスを改質せずにそのまま燃焼させたときに発生する膨大な量の排ガス中からＣＯ2 を回収する必要が無くなるので、ＣＯ2 を高効率かつ低コストで容易に回収できるようになる。しかも、後置燃焼器４３からの燃焼ガスにより二酸化炭素ガスタービン１５を作動させるので、複合発電を行うことができる。これにより、熱損失を抑えることができる。
【００４３】
また、本実施形態の改質分離装置４では、改質手段２と水素分離手段３とを一体化しているので、改質手段２と水素分離手段３との間で改質ガスを冷却する必要が無く熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００４４】
さらに、本実施形態の改質分離装置４では、改質分離装置４を水素燃焼器１４と一体化させているので、ＮＧの改質に要する熱を水素燃焼から直接得ることができる。これにより、改質手段２を加熱する熱源を別個に設ける必要がないので、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。しかも、これら改質分離装置４及び水素燃焼器１４を水素分離型火力発電システム１の一要素として扱うことができる。このため、既存の水素分離型火力発電システム１に改質分離装置４を取り付ける際に改質分離装置４及び水素燃焼器１４を一まとめにして設置できるので、設置作業を容易に行うことができる。
【００４５】
また、本実施形態の水素分離型火力発電システム１では、複合発電手段３３を備えているので、複数のタービン１５，４４，３４により複合発電を行うことができる。これにより、熱損失を抑えることができる。
【００４６】
しかも、この水素分離型火力発電システム１では、排熱回収ボイラ２８で熱交換して得られた水蒸気をＮＧに混合してその改質に使用しているので、ＮＧの改質に使用する水蒸気を発生させる熱源を別個に設ける必要がなく、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００４７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、図１に示す水素分離型火力発電システム１では改質分離装置４を水素燃焼器１４と一体化して水素の燃焼の熱を改質に使用しているが、これには限られず図５に示すように改質分離装置４を排熱回収ボイラ２８に組み込んで排ガスの熱を改質に使用するようにしても良い。この改質分離装置４は、図７に示すようにＮＧを改質して水素と二酸化炭素等にする改質手段２と、改質したガスより水素を分離する水素分離手段３とを一体化して形成されている。改質手段２及び水素分離手段３の構成は上述した図２に示すものと同様としている。すなわち、水素分離手段３は水素分離膜から成る管形状としている。そして、この水素分離手段３の周囲に金属製の受熱管７を設けている。さらに、改質手段２はニッケルベースの粒状物であり受熱管７と水素分離手段３との間に充填している。
【００４８】
この改質分離装置４によっても図１に示すものと同様に、二酸化炭素発電手段６では水素が分離された残りの改質ガスを酸素により燃焼して発電を行っているので、その排ガスをＣＯ2 とＨ2 Ｏにすることができる。これにより、天然ガスを改質せずにそのまま燃焼させたときに発生する膨大な量の排ガス中からＣＯ2 を回収する必要が無くなるので、ＣＯ2 を高効率かつ低コストで容易に回収できるようになる。しかも、改質手段２と水素分離手段３とを一体化しているので、改質手段２と水素分離手段３との間で改質ガスを冷却する必要が無く熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００４９】
また、この改質分離装置４は、改質手段２及び水素分離手段３の他に、図６に示すように改質手段２の上流側に設けられて受熱管７が開口するＮＧ供給室９と、ＮＧ供給室９に連結されたＮＧ供給管１０と、ＮＧ供給室９を貫通する水素分離手段３の上流側に設けられて水素分離手段３が開口する掃引ガス供給室５０と、掃引ガス供給室５０に連結された掃引ガス供給管５１と、改質手段２の下流側に設けられて受熱管７が開口する非透過ガス排出室１１と、非透過ガス排出室１１に連結された非透過ガス排出管１２と、非透過ガス排出室１１を貫通する水素分離手段３の下流側に設けられて水素分離手段３が開口する水素排出室４１と、水素排出室４１に連結された水素排出管４２とを備えている。このため、ＮＧ供給管１０から導入されたＮＧ及び水蒸気は全て改質手段２に送り込まれる。そして、改質手段２を透過して得られた水素及び掃引ガスは、水素分離手段３と水素排出室４１と水素排出管４２とを経て水素燃焼器１４に送り込まれる。一方、水素を除いた改質ガスは非透過ガス排出室１１と非透過ガス排出管１２とを経て後置燃焼器４３に送り込まれる。
【００５０】
この改質分離装置４は排熱回収ボイラ２８の上流部に組み込まれている。そして、排熱回収ボイラ２８に送り込まれた排ガスが受熱管７の周囲を流通する。これにより、排ガスとＮＧとの間で熱交換が行われるので、排ガスは放熱されるのに対しＮＧは加熱されて改質される。したがって、改質手段２を加熱する熱源を別個に設ける必要がないので、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００５１】
また、この水素分離型火力発電システム１では、改質分離装置４と排熱回収ボイラ２８の他に、水素分離手段３から供給される水素を燃焼させる水素燃焼器１４と、この水素燃焼器１４からの燃焼ガスにより作動するガスタービン１５と、このガスタービン１５の作動により発電を行う発電機１６と、水素が分離された残りの改質ガスを酸素により燃焼して発電を行う二酸化炭素発電手段６とを備えている。これらガスタービン１５、発電機１６、二酸化炭素発電手段６は上述した図１に示す水素分離型火力発電システム１に使用したものと同様である。また、水素燃焼器１４は改質分離装置４からの水素と空気圧縮機３２からの圧縮空気とを燃焼させるものであり、形状等が特に限定されるものではなく既知のまたは新規のものを使用することができる。
【００５２】
さらに、この水素分離型火力発電システム１は、ＬＮＧが導入されるＬＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２６と、ＬＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２６からのＮＧが導入されるＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２７と、ガスタービン１５からの排ガスの顕熱を回収する排熱回収ボイラ２８と、排熱回収ボイラ２８からの排ガスが導入される復水器２９と、復水器２９からの排ガスが排出される煙突３０と、復水器２９で再生されたＨ2 ＯをＮＧの改質用の水蒸気にする改質水蒸気発生手段４５と、ガスタービン１５の駆動軸３１の回転により駆動される空気圧縮機３２と、排熱回収ボイラ２８からの蒸気を利用する複合発電手段３３とを備えている。これらの各部は上述した図１に示す水素分離型火力発電システム１に使用したものと同様である。
【００５３】
したがって、この水素分離型火力発電システム１では、複合発電手段３３を備えているので、複数のタービン１５，４４，３４により複合発電を行うことができる。これにより、熱損失を抑えることができる。また、この水素分離型火力発電システム１では、排熱回収ボイラ２８で熱交換して得られた水蒸気をＮＧに混合してその改質に使用しているので、ＮＧの改質に使用する水蒸気を発生させる熱源を別個に設ける必要がなく、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００５４】
ところで、上述した各実施形態では排熱回収ボイラ２８に複合発電手段３３を設けているが、これには限られず図８及び図９に示すように排熱回収ボイラ２８で排ガスと熱交換を行うことによりガスタービン１５の作動流体の一部となる水蒸気を発生させる作動水蒸気発生手段４６を設けても良い。この作動水蒸気発生手段４６は、排熱回収ボイラ２８とその内部を通過する管路とから成る。そして、復水器２９で再生されたＨ2 Ｏを送水器４７で脱気器４８に送り込む。このＨ2 Ｏを送水器４９により排熱回収ボイラ２８の下流部に送り込んで排ガスと熱交換を行う。加熱されたＨ2 Ｏの一部はＮＧと混合してＮＧ−ＣＯ2 熱交換器２７に送り込む。また、残りのＨ2 Ｏは排熱回収ボイラ２８の中流部で更に熱交換して加熱して水素燃焼器１４に供給される。よって、この水蒸気がガスタービン１５での作動流体の一部となるので、ガスタービン１５の回転数を増加させて熱損失を抑えることができる。また、ガスタービン１５での作動流体の一部となる水蒸気を発生させる熱源を別個に設ける必要がないので、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００５５】
なお、図８は改質分離装置４を水素燃焼器１４と一体化した水素分離型火力発電システム１を示し、一方、図９は改質分離装置４を排熱回収ボイラ２８に組み込んだ水素分離型火力発電システム１を示している。
【００５６】
また、上述した各実施形態では排熱回収ボイラ２８に複合発電手段３３または作動水蒸気発生手段４６のいずれか一方のみを設けているが、これには限られず両方を設けても良い。
【００５７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明の請求項１の水素分離型火力発電システムは、天然ガスを改質して水素と二酸化炭素等とから成る改質ガスにする改質手段と改質ガスから水素を分離する水素分離手段とを一体化して天然ガスの改質と水素の分離とを並行して行う改質分離装置と、水素を燃料として発電を行う水素発電手段と、水素が分離された残りの改質ガスを酸素により燃焼して発電を行う二酸化炭素発電手段とを備えるようにしているので、二酸化炭素発電手段の排ガスをＣＯ2 とＨ2 ＯにしてＨ2 Ｏを除去するだけでＣＯ2 の回収を容易に行うことができる。そして、天然ガスを改質せずにそのまま燃焼させたときに発生する膨大な量の排ガス中からＣＯ2 を回収する必要が無くなるので、ＣＯ2 を高効率かつ低コストで容易に回収できるようになる。また、水素発電手段の他に二酸化炭素発電手段によっても発電を行うことができるので、熱損失を抑えることができる。
【００５８】
また、改質手段と水素分離手段とを一体化しているので、改質手段と水素分離手段との間で改質ガスを冷却する必要が無く熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００５９】
また、水素発電手段は、改質分離装置と一体化すると共に水素を燃焼させる水素燃焼器と、この水素燃焼器からの燃焼ガスにより作動するガスタービンと、このガスタービンの作動により発電を行う発電機とを備えるようにしているので、天然ガスの改質に要する熱を水素の燃焼から直接得ることができる。これにより、改質手段を加熱する熱源を別個に設ける必要がないので、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００６０】
しかも、これら改質分離装置及び水素燃焼器を水素分離型火力発電システムの一要素として扱うことができる。このため、既存の水素分離型火力発電システムに改質分離装置を取り付ける際に改質分離装置及び水素燃焼器を一まとめにして設置できるので、設置作業を容易に行うことができる。
【００６１】
また、請求項２の水素分離型火力発電システムは、ガスタービンからの排ガスの顕熱を回収する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで排ガスと熱交換を行うことにより発電を行う複合発電手段とを備えるようにしているので、水素を燃焼してガスタービンを作動させると共にその排ガスの排熱により複合発電手段を作動させることができる。これにより、熱損失を抑えることができる。
【００６２】
さらに、請求項３の水素分離型火力発電システムは、ガスタービンからの排ガスの顕熱を回収する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで排ガスと熱交換を行うことによりガスタービンの作動流体の一部となる水蒸気を発生させる作動水蒸気発生手段とを備えるようにしているので、ガスタービンの作動流体の一部となる水蒸気を発生させる熱源を別個に設ける必要がなく、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【００６６】
また、請求項４の水素分離型火力発電システムは、排熱回収ボイラで排ガスと熱交換を行うことにより天然ガスの改質に使用する水蒸気を発生させる改質水蒸気発生手段を備えるようにしているので、天然ガスの改質に使用する水蒸気を発生させる熱源を別個に設ける必要がない。これにより、熱損失を抑えることができると共に設備の簡易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素分離型タービン発電システムの実施形態を示す概念図である。
【図２】図１の水素分離型タービン発電システムに使用する改質分離装置に使用する改質手段及び水素分離手段を示す斜視図である。
【図３】改質分離装置及び水素燃焼器を示す斜視図である。
【図４】改質分離装置を示す斜視図である。
【図５】水素分離型タービン発電システムの他の実施形態を示す概念図である。
【図６】図５の水素分離型タービン発電システムに使用する改質分離装置を示す斜視図である。
【図７】図６の改質分離装置に使用する改質手段及び水素分離手段を示す斜視図である。
【図８】水素分離型タービン発電システムの別の実施形態を示す概念図である。
【図９】水素分離型タービン発電システムの更に他の実施形態を示す概念図である。
【符号の説明】
１  水素分離型タービン発電システム
２  改質手段
３  水素分離手段
４  改質分離装置
５  水素発電手段
６  二酸化炭素発電手段
１４  水素燃焼器
１５  ガスタービン
１６  発電機
２８  排熱回収ボイラ
３３  複合発電手段
４５  改質水蒸気発生手段
４６  作動水蒸気発生手段
【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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【図８】
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【図９】
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