(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用ガスタービンによって発電を行い、該発電用ガスタービンからの排ガスを排ガスボイラに送り、排ガスボイラで回収した熱により発生した蒸気で発電用蒸気タービンを回転させて発電を行うようにしたコンバインド発電プラントにおいて、上記排ガスボイラを高圧再熱式の蒸気システムとし、上記排ガスボイラに燃料を補給し、補給した燃料を燃焼触媒部において触媒反応させ、排ガスを高温化して発電効率を向上させるようにしたことを特徴とするコンバインド発電プラント。
【請求項２】
請求項１に記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記燃焼触媒部を再熱器又は過熱器のいずれか一方又は双方の前段に設けてなることを特徴とするコンバインド発電プラント。
【請求項３】
請求項１に記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記燃焼触媒部を再熱器、再再熱器もしくは過熱器の少なくともいずれか一の前段に設けてなることを特徴とするコンバインド発電プラント。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記燃焼触媒部に用いる触媒を、遷移金属又はその酸化物を含有する触媒としたことを特徴とするコンバインド発電プラント。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記燃焼触媒部のうち少なくとも一の燃焼触媒部に脱硝性能を持たせたことを特徴とするコンバインド発電プラント。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記排ガスボイラに温度センサを設け、ＬＮＧの供給系に流量計と流量調節弁とを設け、該流量計によって該流量調節弁を制御し、ＬＮＧの供給量をコントロールすることにより、排ガスの温度を適正に保つようにしたことを特徴とするコンバインド発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンバインド発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、火力発電プラントとして、ガスタービン、排ガスボイラ（排熱回収ボイラ）及び蒸気タービンを組み合わせたコンバインド発電プラントが採用されている。
図６に、従来知られている多軸形再熱式コンバインド発電プラントの一例を示す。このプラントは、ガスタービン６０１、排ガスボイラ６０２、蒸気タービン６０３及び発電機を含む構成となっている。ガスタービン６０１及び排ガスボイラ６０２は、各々３台設けているが、１台のみ図示し、Ｎｏ．２及びＮｏ．３のガスタービン及び排ガスボイラは、図示を省略している。
【０００３】
ガスタービン６０１は、圧縮側から空気を取り入れ、燃料を燃焼して膨張側に送り込み、排ガスボイラ６０２に排ガスを送り込む。このガスタービン６０１によって発電が行われる。
排ガスボイラ６０２は、低圧、中圧及び高圧の排熱回収部を備えた三重圧再熱式の構成を採用している。すなわち、この排ガスボイラは、低圧節炭器（ＬＰＥＣＯ）６０４、低圧蒸発器（ＬＰ  ＥＶＡ）６０５、高中圧節炭器（ＩＰ  ＥＣＯとＨＰ  ＥＣＯ１）６０６、中圧蒸発器（ＩＰ  ＥＶＡ）６０７、低圧過熱器（ＬＰ  ＳＨ）６０８、中圧過熱器（ＩＰ  ＳＰ）６０９、高圧節炭器（ＨＰＥＣＯ２）６１０、高圧蒸発器（ＨＰ  ＥＶＡ）６１１、高圧過熱器（ＨＰＳＨ）６１２、及び再熱器（ＩＰ  ＲＨ）６１３を含む。これらの機器の働きは、従来公知のものと同様である。また、高圧蒸発器６１１の後段には、脱硝装置６１４が設けられている。
【０００４】
図７に上記排熱回収機器における排熱回収の機序を示す。この図７において、アルファベットで示した略号は、上記した各々の排熱回収機器に対応している。
上記排ガスボイラ６０２では、入口から導入した排ガスから上記機器によって排熱回収を行い、発生した蒸気を蒸気タービン６０３に送り込んで発電を行う。排ガスは最終的に煙突から排出される。なお、図中実線で示したラインは、給水の流れを示し、点線で示したラインは、蒸気の流れを示す。
蒸気タービン６０３には、図示のＮｏ．１排ガスボイラ６０２からのみではなく、Ｎｏ．２及びＮｏ．３排ガスボイラからの蒸気も送られる。また、復水器６１５からの水及び補給水がラインによってこれらの排ガスボイラに送られる。
１３５０℃級５０１Ｆガスタービンを用いた図６に示した例と同様の構成の発電プラントが実在している。大気温度２２℃における総出力は、６７０ＭＷであり、プラント効率（発電端）は、４８．７％である。
【０００５】
ところで、排ガスボイラ６０２を、低圧、中圧及び高圧の排熱回収部を備えた三重圧再熱式としているのは、図７から了解されるように、高圧の排熱回収部（ＨＰ  ＥＣＯ、ＨＰ  ＥＶＡ、ＨＰ  ＳＨ）のみでは、低温における排熱回収が十分できないためであった。
理想的には、高圧の排熱回収を主体として行うほうが良い。しかし、その場合、排ガスの温度を上げる必要がある。これに対し、ＬＮＧガスを排ガスボイラ内で若干補給し、燃焼させることも試行されているが、不完全な燃焼や燃焼状態を適正に制御することが困難である等の理由により、実用的ではなかった。例えば、配管材料は想定される温度に合わせて設計されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、排ガスボイラにおける燃料の点火による燃焼を伴うことなく、排ガスの温度を上げて発電効率の向上を図るようにしたコンバインド発電プラント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ため、請求項１に記載された発明は、発電用ガスタービンによって発電を行い、該発電用ガスタービンからの排ガスを排ガスボイラに送り、排ガスボイラで回収した熱により発生した蒸気で発電用蒸気タービンを回転させて発電を行うようにしたコンバインド発電プラントにおいて、上記排ガスボイラを高圧再熱式の蒸気システムとし、上記排ガスボイラに燃料を補給し、補給した燃料を燃焼触媒部において触媒反応させ、排ガスを高温化して発電効率を向上させるようにしたことを特徴とする。
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記燃焼触媒部を再熱器又は過熱器のいずれか一方又は双方の前段に設けてなることを特徴とする。
請求項３に記載された発明は、請求項１に記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記燃焼触媒部を再熱器、再再熱器もしくは過熱器の少なくともいずれか一の前段に設けてなることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載された発明は、請求項１から３のいずれかに記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記燃焼触媒部に用いる触媒を、遷移金属又はその酸化物を含有する触媒としたことを特徴とする。
請求項５に記載された発明は、請求項１から３のいずれかに記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記燃焼触媒部のうち少なくとも一の燃焼触媒部に脱硝性能を持たせたことを特徴とする。
請求項６に記載された発明は、請求項１から５のいずれかに記載されたコンバインド発電プラントにおいて、上記排ガスボイラに温度センサを設け、ＬＮＧの供給系に流量計と流量調節弁とを設け、該流量計によって該流量調節弁を制御し、ＬＮＧの供給量をコントロールすることにより、排ガスの温度を適正に保つようにしたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態（その１）
図１は、本発明にかかるコンバインド発電プラントの一実施の形態を示す。この実施の形態は、ガスタービン１、排ガスボイラ（排熱回収ボイラ）２及び蒸気タービン３を組み合わせた多軸形再熱式コンバインドプラントにかかるものである。
ガスタービン１及び排ガスボイラ２は、１台のみ図示しているが、前記した従来例のように、平行してさらに複数設けた構成としても良い。
ガスタービン１は、圧縮側４から空気を取り入れ、燃料（ＬＮＧガス）を燃焼室６で燃焼して膨張側５に送り込み、排ガスボイラ２に排ガスを送り込む。このガスタービン１の回転により発電機７により発電が行われる。
【００１０】
排ガスボイラ２の蒸気システムは、高圧再熱式のものである。この排ガスボイラ２において、給水が高圧節炭器（ＨＰ  ＥＣＯ）８、高圧蒸発器（ＨＰ  ＥＶＡ）９、高圧過熱器（ＨＰ  ＳＨ）１０を経て流れ、排熱回収が行われる。これらの機器の働きは、従来公知のものと同様である。
高圧過熱器１０からの蒸気は、蒸気タービン３の高圧側（ＨＰ）１１に供給された後、再熱器（ＲＨ）１２に戻され、蒸気タービンの中圧側（ＩＰ）１３に供給される。そして、蒸気は、この中圧側から低圧側（ＬＰ）１４に送られ、復水器１５によって水に戻され、給水としてコンプレッサー１６を経て、排ガスボイラ２に供給される。なお、図示していないが、別途適宜に補給水を補給する。以上の蒸気の流れにより、蒸気タービン３が回転し、発電機１７によって発電が行われる。排ガスボイラ３の排ガスは最終的に煙突２１から排出される。
【００１１】
本実施の形態では、排ガスボイラ２が、本発明の特徴部分である燃焼触媒部１８、１９及び燃料供給ライン２０を備えている。燃焼触媒部１８、１９は、図示のように再熱器１２及び高圧過熱器１０の前段にそれぞれ設けられている。燃焼触媒部１８、１９の前段には、燃料（ＬＮＧガス）供給ライン２０からの燃料を供給するための燃料噴射装置が設けられている。
上記燃焼触媒部１８、１９に用いられる触媒として、具体的には、遷移金属又はその酸化物を含有する触媒、好ましくは鉄族元素及び／又は白金族元素の金属又はその酸化物を含有する触媒を挙げることができる。例えば、以下のような触媒を用いることができる。
（１）アルミナ、シリカ、チタニア、及びジルコニアからなる群の酸化物のうちから選択された少なくとも一種以上の酸化物を含有する担体に、活性成分として、白金、パラジウム、ロジウムのうち少なくとも一種以上を担持させた粉末を、コージュライト等の耐熱性基材にコートした触媒。
（２）上記触媒に、さらに助触媒として、アルカリ土類元素の酸化物及び希土類元素の酸化物からなる群から選ばれた酸化物の内少なくとも一種を添加した触媒。
（３）銅、バナジウム、クロム、鉄、及びニッケルといった金属、さらにこれらの金属の酸化物からなる群から選ばれた少なくとも一種を含む触媒。
燃焼触媒部１８、１９で用いる触媒の量については、少なくとも想定されるガスの流量及び目的とする排ガスの温度に関し、十分なものとする。
【００１２】
このような燃焼触媒部１８、１９を設けた本実施の形態にかかるコンバインド発電プラントでは、燃焼触媒部１８、１９において、ＬＮＧガスを触媒反応によって反応させ、排ガスの温度を上昇させる。したがって、高圧の排熱回収部のみで効率の高い排熱回収を行うことができる。
なお、触媒反応による燃焼は、通常の点火による燃焼反応と異なり、炎を上げて燃焼するような反応ではない。よって、制御も比較的容易である。図示のように、温度センサ２２、２３、２４、２５を適宜の位置に設け、流量計２６、２７によって適宜流量調節弁２８、２９を制御し、ＬＮＧの供給をコントロールすることにより、温度を適正に保つことができる。
【００１３】
排ガス温度分布を図２に示す。排ガスボイラ２の入口で５８５℃の排ガスを、燃焼触媒部１８を経由した後６５０℃とし、再熱器１２を経て５５０℃に下がり、再度燃焼触媒部１９を経由した後６５０℃としている。
図３に、この実施の形態による排熱回収の熱力学的機序を示す。この図３において、アルファベットで示した略号は、上記した各々の排熱回収機器に対応している。排ガス温度を上昇させることによって排ガスボイラ２の熱効率が上がる。実機においては、太線で示した高圧節炭器（ＨＰ  ＥＣＯ）、高圧蒸発器（ＨＰＥＶＡ）、高圧過熱器（ＨＰ  ＳＨ）及び点線で示した再熱器（ＲＨ）のように排熱回収が行われる。図３から了解されるように、排ガスの高温領域から低温領域にかかけて高圧の蒸気システムのみで排熱回収を行うことができる。
【００１４】
実施の形態（その２）
次に、図１を参照しながら本発明の別の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、図１について説明した上記実施の形態と同様の構成を持つ。ただし、上記燃焼触媒部１８及び１９が脱硝部を兼ねている点で相違する。すなわち、本実施の形態では、燃焼触媒としての機能だけではなく、脱硝触媒としての機能を併せ持つ触媒を用いている。
【００１５】
このような燃焼触媒と脱硝触媒の機能を兼ね備えた触媒としては、種々のものを用いることができる。このような触媒としては、例えばＧａ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｏ等の活性金属を、ＺＳＭ―５型ゼオライト、モルデナイト、Ａｌ2 ０3 等の担体に担持した触媒を挙げることができる。
このような触媒のうち、「天然ガス燃焼排ガス浄化用ＮＯx 選択還元触媒」［田畑健、中平貴年、大塚浩文、触媒（触媒学会発行）、第３９巻、第３号（１９９７年）］のTable １に列挙されているＣｏ―Ｂｅｔａ、Ｃｏ―Ｍｏｒ、Ｃｏ―ＺＳＭ―５、Ｃｏ／Ａｌ2 ０3 が好適である。
特に、Ｃｏ―ＺＳＭ―５触媒の一種であるＣｏ―Ｂｅｔａ触媒が好ましい。この触媒は、５００℃においてＬＮＧ成分を１００％分解すると同時に、ＮＯx 成分をも高効率で分解する。この触媒は、寿命も長い。
その他、「有機化合物によるＮＯx 選択還元触媒のデイーゼル排ガス・実スケールでの評価」〔小淵存、金子勇、大井潤子、大井明彦、尾形敦、櫛山暁、水野光一、触媒（触媒学会発行）、第３８巻、第２号（１９９６年）〕のTable １に列挙されている、Pt/Al2O3、Rh/Al2O3、Ag/Al2O3、Co/Al2O3、AuMn/Al2O3、Pt-ZSM-5、Cu-ZSM-5、Ir/In-ZSM-5 、Mn2O3/Ce-ZSM-5も用いることができる。
【００１６】
本実施の形態にかかるコンバインド発電プラントでは、通常ＮＯx 成分の濃度は、排ガスボイラの入口で、３０〜５０ｐｐｍ（Ｏ2 １６％換算）である。この濃度を排ガスボイラで出口で５ｐｐｍ以下に抑えることが必要である。コンバインド発電プラントでは、排ガスの温度を触媒燃焼によって上昇させるために、２０００ｐｐｍ（Ｏ2 １６％換算）程度の濃度で加えるので、このうちせいぜい５０ｐｐｍ（Ｏ2 １６％換算）が脱硝に消費されるだけである。したがって、燃焼触媒部に脱硝性能を持たせてもなんらの支障もない。
【００１７】
ＬＮＧによって脱硝を行う際には、プロパンが最も効率が良い。したがって、１／４０前後（モル比）のプロパンを含む標準インドネシア産、標準マレーシア産、標準オーストラリア産のＬＮＧが好適である。プロパンの含有率が低いＬＮＧの場合、１／４０前後（モル比）のプロパンを含むようにプロパンを足して供給するようにしても良い。さらに、プロパンのみ供給するようにすることもできる。
【００１８】
本実施の形態によれば、燃焼触媒部１８、１９において、ＬＮＧの燃焼を行なうことができるとともに、脱硝も高効率で行うことができる。アンモニア注入による場合と比較すると、高圧のアンモニア供給設備（タンク等）が不要であり、またアンモニアのリークを考慮する必要がなく、ＬＮＧ設備のみで足りるという利点を有する。
【００１９】
他の実施の形態
本発明にかかるコンバインド発電プラントは、上記実施の形態に限らず、本発明の技術的思想の範囲において種々の変形が可能である。
上記燃焼触媒部（兼脱硝部）１８、１９は、再熱器又は過熱器のいずれか一方の前段に設けることとしても良い。
また、再再熱器を備えた排ガスボイラでは、燃焼触媒部（兼脱硝部）を再熱器、再再熱器もしくは過熱器の少なくともいずれか一の前段に設けるようにすることができる。
燃焼触媒部を複数設けた場合、上記実施の形態（その２）では、全ての燃焼触媒部に脱硝性能を持たせたが、少なくとも一の燃焼触媒部に脱硝性能を持たせることでも良い。さらに、上記実施の形態（その２）では、燃焼触媒に脱硝性能を兼備するものを用いている。しかし、燃焼触媒と別の脱硝触媒を併用するようにして燃焼触媒部に脱硝性能を持たせるようにすることもできる。またさらに、燃焼触媒部を、燃焼触媒層と脱硝触媒層とを合わせてなる二層の燃焼触媒部とすることによって脱硝性能を持たせるようにすることもできる。
【００２０】
【実施例】
実施例１
上記実施の形態（その１）のコンバインド発電プラントにおけるプラント効率と、従来の火力発電プラントにおけるプラント効率を算出した。
図４及び図５は、算出の手順を明瞭にするための概念図である。
図４は、現在実施されているコンバインド発電プラントにかかるものである。ガスタービン６０１には、６５８．９ＭＷに相当する原料ＬＮＧガスが導入され、ガスタービン６０１で２２６ＭＷの発電が行われ、４３２．９ＭＷに相当する５８５℃の排ガスが排出される。このガスタービン６０１は、前記した従来の１３５０℃級５０１Ｆガスタービンよりもさらに効率の高い１５００℃級ガスタービンを用いている。
上記排ガスは、前記した従来の三重圧再熱式排ガスボイラ６０２に送られ排熱回収によって３０６．４ＭＷ相当の熱を受領する。この熱によって蒸気タービン６０３によって１０３．５ＭＷの発電が行われる。受領したエネルギーのうち、２００．８ＭＷに相当する分が、復水器で放出され、メカロスによって２．１ＭＷが失われる。排ガスボイラ６０２から１００℃の排ガスが排出され、１２６．５ＭＷ相当のエネルギーも排出される。
この現状における火力発電プラントの効率は、
η＝（２２６＋１０３．５）／６５８．９×１００＝５０．１％となる。
【００２１】
図５は、上記した図１の実施の形態にかかるコンバインド発電プラントにかかるものである。ガスタービン１には、６５８．９ＭＷに相当する原料ＬＮＧガスが導入され、ガスタービン１で２２６ＭＷの発電が行われ、４３２．９ＭＷに相当する５８５℃の排ガスが排出される。このガスタービン１は、１５００℃級ガスタービンを用いている。
上記排ガスは、図１の実施の形態の排ガスボイラ２に送られ、８１．７ＭＷ相当のＬＮＧガスを供給され、排熱回収によって３７９．９ＭＷ相当の熱を受領する。この熱によって蒸気タービン３によって１６９．４ＭＷの発電が行われる。受領したエネルギーのうち、２０７．１ＭＷに相当する分が、復水器１５で消費され、メカロスによって３．４ＭＷが失われる。排ガスボイラ２から排ガスが排出され、１３４．７ＭＷ相当のエネルギーも排出される。
この本発明にかかるコンバインド発電プラントの効率は、
η＝（２２６＋１６９．４）／（６５８．９＋８１．７）×１００＝５３．３９％となる。
したがって、上記実施の形態によるコンバインド発電プラントは、現状の火力発電プラントに比べて、６．４％の効率上昇が見込まれることとなる。
【００２２】
実施例２
燃焼触媒の試験
天然ガス成分のメタンを利用したガスタービン車への利用を目的とした燃焼触媒の試験を行った。用いた触媒は、アルミナ担体に、活性成分として、白金を担持させた粉末を、コージュライトの耐熱性基材にコートした触媒を用いた。
入口ガス中のメタン濃度を１．８５％、ＧＨＳＶを２×１０4 〜６×１０4 ｈ-1、試験温度を３５０〜４５０℃で行った。結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
0003794796.tif 000002
＊：出口ガス中のメタン濃度
【００２４】
以上の結果から了解されるように、燃焼触媒部において、メタンはほぼ１００％分解されるので、燃料としてメタン（ＬＮＧガス）を補給しても未燃分が残るおそれはない。また、排ガス中にもし未燃分が残留していた場合でも、この燃焼触媒部において完全に燃焼される。なお、本願では、燃焼触媒部で５５０〜６５０℃の範囲で触媒反応を行うように意図しているが、表１の試験結果は、高温ほど完全に燃焼する傾向を示しており、より良好な性能が予想される。
【００２５】
【発明の効果】
上記したところから明かなように、本発明によれば、排ガスボイラにおける燃料の点火による燃焼を伴うことなく、排ガスの温度を上げて発電効率の向上を図るようにしたコンバインド発電プラントが提供される。
本発明にかかるコンバインド発電プラントでは、上記したように既に実用的に性能が検証されている自動車の排ガス燃焼用触媒を用いることができる。このような触媒は、少量で十分な効果を期待することができるので装置が過大になることもない。
また、ガスタービンからの排ガス中にあるＬＮＧの未燃分も完全に燃焼させることができる。
さらに、本発明では、排ガスボイラに供給するＬＮＧの量を制御することにより、排ガスの温度制御を比較的容易に行うことができる。したがって、蒸気が循環する配管の設計上において、過大な材料や肉厚を設定しなければならない等の難点もない。
またさらに、燃焼触媒部に脱硝性能を持たせた場合には、燃焼触媒部兼脱硝部でＬＮＧの燃焼を行なうことができるとともに、脱硝も高効率で行うことができる。したがって、アンモニア注入による場合と比較すると、高圧のアンモニア供給設備（タンク等）が不要であり、アンモニアのリークを考慮する必要がなく、ＬＮＧ設備のみで足りるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるコンバインド発電プラントの一実施の形態を説明する概念図である。
【図２】図１の実施の形態において排ガスボイラ内の温度分布を説明するグラフである。
【図３】図１の実施の形態における排熱回収の熱力学的機序を示すグラフである。
【図４】現状のコンバインド発電プラントのうち最も効率の高いものについて、プラント効率を算出するための概念を説明する概念図である。
【図５】図１の実施の形態にかかるコンバインド発電プラントについて、プラント効率を算出するための概念を説明する概念図である。
【図６】従来のコンバインド発電プラントの一例を説明する概念図である。
【図７】図６の従来のコンバインド発電プラントの排熱回収の熱力学的機序を示すグラフである。
【符号の説明】
１  ガスタービン
２  排ガスボイラ
３  蒸気タービン
４  圧縮側
５  膨張側
６  燃焼室
７  発電機
８  高圧節炭器（ＨＰ  ＥＣＯ）
９  高圧蒸発器（ＨＰ  ＥＶＡ）
１０  高圧過熱器（ＨＰ  ＳＨ）
１１  高圧側（ＨＰ）
１２  再熱器（ＲＨ）
１３  中圧側（ＩＰ）
１４  低圧側（ＬＰ）
１５  復水器
１６  コンプレッサー
１７  発電機
１８  燃焼触媒部（兼脱硝部）
１９  燃焼触媒部（兼脱硝部）
２０  燃料（ＬＮＧガス）供給ライン
２２、２３、２４、２５  温度センサ
２６、２７  流量計
２８、２９  流量調節弁
【図１】
0003794796.tif 000003
【図２】
0003794796.tif 000004
【図３】
0003794796.tif 000005
【図４】
0003794796.tif 000006
【図５】
0003794796.tif 000007
【図６】
0003794796.tif 000008
【図７】
0003794796.tif 000009