JP2000054852A

JP2000054852A - ガスタ―ビン複合サイクル発電システム

Info

Publication number: JP2000054852A
Application number: JP11077516A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Jitsuhara; 幾雄実原; Yuji Kubo; 祐治久保; Yoshihiro Kaneda; 善弘兼田; Kenichiro Fujimoto; 健一郎藤本; Hideki Kurimura; 英樹栗村; Shoichi Kaganoi; 彰一加賀野井
Original assignee: Teikoku Oil Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Teikoku Oil Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-02-22

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービン複合サイクル発電のエネルギー
効率向上を達成するべく、燃料ガスの水蒸気改質反応に
より生成する改質ガスの水素転換燃焼を基本とするガス
タービン複合サイクル発電システムを提供することを目
的とする。【解決手段】ガスタービンの排気系に、メタンを含有
する燃料ガス又はメタノールの水蒸気改質反応器を組込
み、この改質ガスを燃料として利用しガスタービン発電
を行うと共に、改質燃料ガスの熱回収系に蒸気タービン
を結合し蒸気タービン発電も併せ行い、発電効率を向上
させるべく設計された、ガスタービン複合サイクル発電
システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地球温暖化の主作
用ガスと目される二酸化炭素の排出を抑制しつつ高効率
発電を達成する技術として採用が活発化しているガスタ
ービン複合発電システムに関するもので、特に、燃料の
改質やメタノールの水蒸気改質によりエクセルギーを増
幅し燃焼時のエクセルギーロスを減少させることを特徴
とする高効率発電・省エネ技術に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】地球規模での環境問題がクローズアップ
される中、二酸化炭素による地球温暖化が大きく採り上
げられ、二酸化炭素排出抑制が喫緊の課題として認識を
新たにしつつある。太陽電池、風力発電に代表される再
生可能エネルギーの開発に加え、既存工業プラントの省
エネ諸策の展開、発電設備の効率向上技術開発等、産業
内、産業間に跨り二酸化炭素削減のための技術開発が進
展している。その中で、天然ガスは炭素含有量が少ない
電力用クリーンエネルギーとして注目され、利用拡大が
検討されると共に、天然ガスを燃料としてガスタービ
ン、蒸気タービンとの連続化により発電効率向上を図っ
たガスタービン複合サイクル発電システム（ＧＴＣＣ）
の開発・実機化が進展しつつあり、蒸気タービンとの複
合的利用により総合発電効率は５０％近くに達するに至
っている。

【０００３】しかし、我が国において、石炭等の水素含
有量の少ない燃料から水素含有量の多い天然ガスへの燃
料シフトは、天然ガス田からのガス輸送手段の確保、即
ち、天然ガス液化設備、液化天然ガス（ＬＮＧ）輸送
船、ＬＮＧ受入基地建設、あるいは、パイプライン建設
等、大規模なインフラ投資が要求されるという困難な問
題を抱えているため容易に進展する状況にはない。従っ
て、更なる発電効率の向上が技術開発の焦点となってい
る。その殆どは、蒸気タービン発電系制御（例えば、特
開平６−１５９０９１号公報）、蒸気タービン冷却機構
設計（例えば、特開平９−１７０４０７号公報、特開平
１０−６１４５７号公報）、超合金を用いたガスタービ
ンブレード、ノズル設計（例えば、特開平６−１００８
２号公報、特開平７−７０６７９号公報）、低沸点媒体
サイクル発電、不活性ガス媒体サイクル発電との結合
（例えば、特開平７−１６６８１５号公報、特開平９−
１４５６０号公報）であり、燃料の質に踏み込んだ発電
システム設計に関する技術は見受けられない。一方、負
荷追従性向上により発電設備の稼働形態を安定化し効率
向上を図る技術開発も進展しているが、複合発電モード
と蒸気タービン単独発電モードとの切り替え（例えば、
特開平６−１７３６１５号公報）、目標負荷と実負荷と
の偏差検出制御（例えば、特開平５−２７２３６１号公
報、特開平８−１２８３０４号公報）が殆どである。ま
た、天然ガスを液体燃料化することにより流通性を高
め、大規模インフラ投資を回避しつつ新規燃料として導
入する技術開発も活発化しており、メタノールは、その
代表例である。

【０００４】上記の発電効率向上のための技術開発は、
エクセルギーロスの大きい化石燃料を用いる限り、その
発電効率の向上には限界がある。つまり、ガスタービン
複合サイクル発電（ＧＴＣＣ）の開発は、クリーンなガ
スを原料として燃焼エネルギーをカスケード的に回収す
ることによりエネルギー効率の向上を意図したものであ
る以上、伝熱ロスの低減、熱エネルギー回収の効率化と
いう範疇を出ず、自ずと効率の向上代には限界がある。
一方、発電設備単体の効率化の限界を見据え他のプラン
トとの結合によりトータルでのエネルギー効率向上を目
的として複合システムが提案されている。例えば、高温
酸素輸送性固体電解質を利用した空気分離との組合せ
（例えば、ＵＳＰ−５５１６３５９）、燃料電池との組
合せ（例えば、特開平９−１２９２５５号公報）、ＬＮ
Ｇ気化との組合せ（例えば、特開平９−１４５８７号公
報）、空気の深冷分離プラントと圧縮空気貯蔵発電との
組合せ（例えば、特開平９−１３９１８号公報）が挙げ
られるが、特定用途に有効な技術であり、又、立地制約
を受ける。

【０００５】ガスタービン複合サイクル発電における発
電効率向上には、ガスタービン、及び、蒸気タービンの
入口ガス温度の上昇が効果的であり、過去２０年間で年
平均２０℃のペースで上昇しており、１４５０℃クラス
のガスタービンの工業化は間近と想定される。ガスター
ビン入口ガスの温度上昇は、燃焼機、タービン翼等の冷
却技術、及び、耐熱材料の開発によって達成されてきた
が、１４５０℃超の更なる高温化に際しては、燃焼剤で
ある空気に大量に存在する窒素が高温燃焼場中で酸素と
反応し窒素酸化物の生成が促進され（サーマルＮＯ
ｘ）、この生成抑制が環境問題上、極めて重要となる。
窒素酸化物の生成は、１５００℃以上で更に顕著となる
ことが知られており、エネルギー問題への対応技術とし
ての燃焼温度上昇による発電効率向上は、環境問題対応
としての窒素酸化物抑制とトレードオフの関係にある。
既存窒素酸化物抑制技術として知られている予混合燃焼
技術、セラミックス燃焼機、触媒燃焼技術は、燃焼機内
に局部的に生成する高温域の抑制を主目的としたもの
で、ガスタービン入口ガス温度が１５００℃程度までで
あれば有効に機能するものと想定されるが、それ以上と
なると、適用可能性には疑問が残る。従って、ガスター
ビン入口温度上昇を指向した技術開発と並行して、別の
観点からの効率向上技術開発が必要であり、その一つと
して、燃料の質に踏み込んだ発電システム設計がある。

【０００６】メタノールは天然ガスを原料として工業的
製造技術体系が確立しているが、その用途は化学薬剤と
しての利用が大半で、近年、半導体製造工場用オンサイ
ト水素製造用原料としての利用が進展しているものの、
小規模であり、発電用燃料として利用するには供給能力
不足と言わざるを得ない。しかし、天然ガスのクリーン
エネルギーとしての利用拡大が注目されるなか、既発見
未開発天然ガス田の開発を促進する有力手段としての液
体燃料化技術開発が世界規模で活発化しており、メタノ
ールはその有力候補の一つである。一方、メタノールの
新規用途面では、輸送分野、特に、自動車のエネルギー
効率向上要請、排ガス規制強化動向を背景に合成ガスか
らの液体燃料が注目されており、ＦＴ（フィッシャー・
トロプッシュ）合成油によるディーゼル燃料代替、メタ
ノール燃料電池自動車開発が強力に推進されている。加
えて、メタノールの発電用燃料としての利用技術開発、
実証テストは既に行われている。発電用燃料としてのメ
タノール利用技術には、直接燃焼、改質燃焼、燃料電池
利用があるが、大規模燃料電池開発については実用化が
見通せる状況になく、直接燃焼については技術的課題は
殆ど無いものの発電効率は天然ガス燃料ガスタービン複
合サイクル発電と概ね同等となる。熱力学的には、天然
ガスからメタノール合成までのエネルギーロスは、天然
ガスのＬＮＧ化工程でのエネルギーロスに比し大きく、
原料ガス〜発電までのトータルプロセスでのエネルギー
効率で、天然ガス燃料ガスタービン複合サイクル発電を
上回る為の技術開発が必要となる。

【０００７】メタノールの水蒸気改質反応は、以下の式
で示される。ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＝３Ｈ₂＋ＣＯ₂ 同反応では、下記に示す低位発熱量から明らかな様に、
発熱量の増幅（約１４％）が可能となり、増大分相当す
る発電効率向上のポテンシャルを有する。・メタノール：１５２．３kcal/mol ・水素：５７．８kcal/mol（×３＝１７３．４
kcal/mol・メタノール）

【０００８】この改質反応は２５０℃程度の低温で進行
するため、ガスタービン排ガスの熱エネルギーの利用が
可能であり、この点に着目してメタノール改質型ガスタ
ービン発電サイクルのシステム設計、及び、実証テスト
が実施されている。しかし、これら技術開発は現状のガ
スタービンを前提としたものであり、ガスタービン入口
ガス温度は１４００℃以下を想定している。ガスタービ
ン入口ガス温度を１４５０℃以上とするためには、メタ
ノール改質ガスの様な水素を主要構成成分とするガスを
燃料とする場合、水素が燃焼速度が大なるが故に燃焼過
程で局部的に高温域が生じ、窒素酸化物を生成しやすく
なるため、この抑制技術が不可避となる。現在研究開発
段階にある予混合燃焼技術、セラミックス燃焼器、触媒
燃焼技術は、現時点では、これら水素ガスを主要構成成
分とする改質ガスへの適用が見通せる状況にない。

【０００９】国家プロジェクトとして進められている水
素タービン発電に関する研究は、１７００℃程度のガス
タービン入口ガス温度を想定した技術開発が目的である
が、水の電気分解により生成する水素を燃料として、副
生酸素を燃焼剤として利用する基本構想故、窒素酸化物
の問題は考慮外である。しかし、大規模自然エネルギー
利用が可能となるまでは電力多消費型となり効率的でな
い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、発電設備
の発電効率向上を燃料の質という観点から見直し、燃料
やメタノールと水蒸気との反応により両者に含有される
水素を水素ガスとして取り出し、水素主体の燃料構成に
転換することによりエクセルギーを増幅し、又、燃焼と
いう不可逆過程で生じるエクセルギーロスを燃料やメタ
ノールの直接燃焼に比し低減させた高効率ガスタービン
複合サイクル発電システムを構築することを目的とす
る。

【００１１】更には、ガスタービン入口ガス温度の高温
化による効率向上も視野に入れ、その際に問題となる窒
素酸化物の発生を抑制すべく、メタノール水蒸気改質ガ
スに燃焼速度と断熱火炎温度共に水素よりも低い炭化水
素ガスを含有する燃料を混合して燃料として供給するこ
とにより、低環境負荷特性をも併せ持たせたシステムと
しての構築を図るものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】天然ガスを始めとしてメ
タンを含有するガスやメタノールはクリーンエネルギー
源であるばかりで無く、水素含有量の多い格好の水素源
でもあり、水蒸気による改質反応により容易に水素を増
幅できる点に注目した。水素燃焼の特徴は、燃焼過程で
モル数が減少することであり、エントロピーの減少によ
り極端な反応生成系への偏りが無い状態で反応が進行す
ることにある。この特異的な燃焼形態により、下記に示
す様に、天然ガス等の化石燃料に比しエクセルギー損失
の低減が図れる。・化石燃料の燃焼に伴うエクセルギーロス：２２％以上・水素の燃焼に伴うエクセルギーロス：１３％

【００１３】又、天然ガスの水蒸気改質に代表される天
然ガスからの水素製造プロセスやメタノールの水蒸気改
質反応は、燃焼反応よりも低温で進行する吸熱化学反応
に立脚しており、天然ガスを水素に変換して燃焼すると
いうことは、低温で熱を汲み上げ（改質時の吸熱反
応）、高温で熱を放出する（燃焼時の発熱反応）一種の
ヒートポンプとも考えられ、この点でも、水素転換燃焼
発電はエネルギー的に有利である。この様に水素を燃料
として用いることにより効率の向上が図れる反面、その
安価調達法が重要となる。

【００１４】天然ガス等メタンを含有するガスを原料と
して水素を製造する方法には種々あり、水蒸気改質、部
分酸化、ＡＴＲ（Auto Thermal Reforming）等がある。
しかし、これらの技術は、合成ガスを得る技術であり合
成ガスを原料とした化学品の製造に主眼を置いた技術で
ある。純酸素が安価に得られない場合、これらの技術の
中では水蒸気改質法が最も効率的な水素製造方法とな
る。又、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため反応転化
率向上の観点からは高温操業が望ましいが、大量の熱エ
ネルギーを必要とするためエネルギー効率的には望まし
くない。一方、メタノールの水蒸気改質は、２５０℃程
度の低温で進行するため、蒸気タービンからの排蒸気の
改質反応原料としての利用のみならず熱源としての利用
も可能であり、同反応による発熱量増大分の殆どは発電
効率向上に寄与する。更には、本発明は、ガスタービン
複合発電系への組込を目的とするものであることからガ
スタービン排熱が利用できる温度域での操業が必要であ
り、低温操業が望ましい。

【００１５】ガスタービン排熱を利用してメタンやメタ
ノールの水蒸気改質を効率良く進行させるためには、反
応を生成系にシフトさせることが必要となるが、本発明
では過剰の水蒸気を供給し水蒸気改質反応を生成系にシ
フトさせると共に、これを熱媒体として利用し、熱回収
系、蒸気タービンと組み合わせる事により電力として回
収するシステムを構築する。他に、反応を生成系にシフ
トさせる手法として、反応生成物の系外への抜き出しが
あり、以下に示すメタンやメタノールの水蒸気改質反応
系では、水素、又は、二酸化炭素を系外に抜き出すこと
により反応を促進させることができる。ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂＋４Ｈ₂ ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＝３Ｈ₂＋ＣＯ₂

【００１６】これらの技術としてセラミックス膜による
水素分離技術があり、水素分離材料としてＳｉＯ₂、Ｓ
ｉＣを多孔質アルミナ上へコーティングした複合材料
や、中高温度域（３００〜９００℃）で水素イオン、電
子の両透過能を有する混合導電性固体電解質、例えばＢ
ａＣｅ_0.95Ｙ_0.05Ｏ₃が知られている。過剰の水蒸気供
給と、これらの膜分離技術を組み合わせて反応を促進さ
せることも可能である。また、水素は燃焼速度が大き
く、燃焼場の不均一性を助長し局部的に高温度域が形成
されることにより窒素酸化物の生成を増大させる傾向に
あるが、この対応として、燃焼速度の比較的遅い炭化水
素ガスとの混合燃焼が有効である点に着目した。

【００１７】メタノールの水蒸気改質反応により生成す
る水素を主要構成成分とするガスを燃料とすることによ
り、発電効率の向上が図れるが、一方、水素は、汎用燃
料である天然ガスの主要構成成分であるメタンに比し、
燃焼速度が大きく、且つ、断熱火炎温度が高く、燃焼助
剤として空気を用いて高温ガスタービン操業（ガスター
ビン入口ガス温度で１４５０℃以上）を行う場合、窒素
酸化物発生問題は不可避である。窒素酸化物の排出規制
は強化の方向にあり、「高効率発電」と「低環境負荷」
というトレードオフ関係にある目標をバランス良く達成
する手段として、メタノール改質ガスに、燃焼速度、断
熱火炎温度共に低い炭化水素ガスを含有する燃料を混合
して燃料として供することが有効である。これにより、
燃焼器内部の燃焼場の不均一性を軽減し、窒素酸化物発
生を抑制することが可能となる。

【００１８】天然ガスの輸送手段は、パイプライン、又
は、ＬＮＧであり、何れの場合においても天然ガス導入
に係わる設備投資は非常に大きい。これに比し、天然ガ
スを液体燃料化して輸送する場合は、その輸送に特殊タ
ンカーを必要とせず、又、ＬＮＧの場合の様に極低温貯
蔵タンク、特殊配管、気化器等の受け入れ側設備を必要
とせず、インフラ装備は軽微となる。天然ガスから誘導
される液体燃料の代表例がメタノールであり、天然ガス
に比し、輸送・受入が容易な燃料と考えられる。メタノ
ール原料として最も優れた特性を有する天然ガスは、主
に、天然ガス田に賦存し、その開発はパイプライン、又
は、ＬＮＧによる市場までの輸送によって行われるが、
同様に大規模投資が必要となるため、リモートあるいは
中小規模ガス田の開発が困難となっている。わが国の様
に、特定地域を除いて天然ガス資源に恵まれない状況に
あっては、主要天然ガス源を海外に依存せざるを得ず、
中小ガス田の開発の障壁はさらに高くなる。

【００１９】しかし、近年、これら中小ガス田開発の手
段として、メタノール等の液体燃料を製造するＧＴＬ
（Gas to Liquids）技術の開発が世界規模で活発に進展
しており、分散型広域エネルギー利用・排ガス排出源で
ある自動車の省エネ強化・排ガス規制強化動向と相俟っ
て、業界横断型技術開発の進展により実現の可能性は高
いものと考えられる。即ち、現在化学薬剤としての利用
が殆どで供給規模が小さいメタノールではあるが、未利
用資源（既発見未開発天然ガス田）の有効活用と低環境
負荷・高効率エネルギー技術開発に対する強いニーズか
ら、メタノールをはじめとしてクリーン液体燃料製造技
術が国際協力関係の下、進展し、燃料用途に供するに足
る供給量を確保できる可能性は大きいものと考えられ
る。

【００２０】一方、見方を変えれば、発電燃料としての
メタノールは、現在消費地において導入されている天然
ガスを補完する基幹化学原燃料とも考えられ、メタノー
ルの燃料としての導入は、天然ガス利用拡大という別の
側面を持つことにも留意しておかねばならない。又、業
界、国境を越えたエネルギー利用効率向上が進展してい
く中で、循環型経済システム構築の一環として、廃プラ
を始めとして廃棄物のマテリアルリサイクルが進展して
行くことは容易に予想されるが、これら廃棄物を原料と
して合成ガスからメタノールまでの一貫製造、及び、製
鉄プラント等、石炭を大量に利用するエネルギー多消費
型プロセスにおけるエネルギー受給構造の見直しによる
加熱・発電用燃料源のクリーン化と、石炭起源副生ガス
の有効利用技術としてのメタノール製造等、を考えると
日本国内でのメタノールの広域供給・利用の可能性は十
分にあり、今後のエネルギー政策の基幹技術の一つとも
考えられる。

【００２１】本発明では、これらの技術全体観の下、メ
タンを含有する燃料ガスやメタノールを水蒸気改質して
水素を主要構成成分とする燃料ガスに転換することによ
りエンタルピー、エクセルギーともに増幅し、且つ、燃
焼過程でのエクセルギーロスを低減した高効率発電シス
テムを構築することを目的として、ガスタービン排ガス
や蒸気タービン排蒸気の熱エネルギーを利用して燃料ガ
スやメタノールの水蒸気改質を行うと共に、ガスタービ
ン入口ガス温度の高温化技術動向に対応して、克服すべ
き問題である窒素酸化物を抑制するために、炭化水素ガ
スを含有する燃料をメタノール水蒸気改質ガスと混合し
燃焼することを特徴とするガスタービン複合サイクル発
電システムを提案するものである。本発明のシステム
は、従来の化石燃料直接燃焼方式の複合サイクル発電に
比し、発電効率を向上させることができ化石燃料の節約
につながると共に、二酸化炭素排出低減にも大きく寄与
するものである。また、本発明は、メタノール直接燃焼
方式の複合サイクル発電に比し、発電効率を向上させる
ことができ、メタノールの利用拡大に直結すると共に、
輸送・流通に多大のインフラ投資を伴う天然ガスを常温
液体であるメタノールに変換することにより、輸送・流
通インフラの大幅低減を可能とし、未開発天然ガス田の
開発に大きく寄与するものである。

【００２２】本発明の要旨とするところは、以下の通り
である。（１）空気圧縮機に結合された燃焼機に結合されている
ガスタービンと、ガスタービンに結合された熱交換器に
連結されている蒸気タービンサイクルとからなるガスタ
ービン複合サイクル発電システムにおいて、燃料の水蒸
気改質システムを燃焼機に結合したことを特徴とするガ
スタービン複合サイクル発電システム。（２）燃料の水蒸気改質システムにおいて、燃料を水素
ガス主体の改質ガスとする（１）記載のガスタービン複
合サイクル発電システム。（３）ガスタービンの排ガスの一部又は全部を熱源とし
て、燃料の水蒸気改質システムに供給する（１）又は
（２）記載のガスタービン複合サイクル発電システム。（４）ガスタービンの排ガスの一部及び燃料の水蒸気改
質システムが保有する熱を熱交換器に供給する（１）〜
（３）の何れか１項に記載のガスタービン複合サイクル
発電システム。（５）空気圧縮機に結合された燃焼機に結合されている
ガスタービンと、ガスタービンに結合された熱交換器に
連結されている蒸気タービンサイクルとを有するガスタ
ービン複合サイクル発電システムにおいて、メタノール
水蒸気改質システムと燃料ガス供給システムとを燃焼機
に結合したことを特徴とするガスタービン複合サイクル
発電システム。（６）ガスタービン入口ガス温度が１４５０℃以上であ
る（５）記載のガスタービン複合サイクル発電システ
ム。（７）メタノール水蒸気改質システムがメタノールと蒸
気タービンサイクルの排蒸気から水蒸気改質反応により
メタノール改質ガスを得ると共に、該水蒸気改質反応に
必要な熱エネルギーを蒸気タービンの排蒸気及び／又は
ガスタービンの排ガスの一部又は全量により供給される
システムである（５）又は（６）記載のガスタービン複
合サイクル発電システム。（８）メタノール改質ガスと燃料ガスとを予め混合した
後に燃焼機に供給する（５）〜（７）何れか１項に記載
のガスタービン複合サイクル発電システム。（９）燃料が、メタンを含有する天然ガス、石炭熱分解
ガス及び／又はコークス炉ガスである（１）〜（８）の
何れか１項に記載のガスタービン複合サイクル発電シス
テム。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。図１は、天然ガスを燃料としたガスタービン複合サ
イクル発電システムの例である。このシステムにはガス
タービンの排ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスを
水蒸気改質する反応システム、改質ガスの熱エネルギー
回収システムが組み込まれており、燃料ガス中のメタン
の一部が水蒸気改質により水素に転換され水素濃度の上
昇した改質ガスが燃焼機に供給される。メタンの水蒸気
改質反応は吸熱反応であり、ガスタービン排熱を熱源と
して利用する必要があるが、上記メタンの水蒸気改質反
応式に示される様に、１モルのメタンから４モルの水素
が生するため、下記に示すメタン、水素の低位発熱量値
からも明らかな様に、発熱量の増大、エクセルギーの増
幅が可能となる。・メタンの低位発熱量：１９１．８kcal/mol ・水素の低位発熱量：５７．８kcal/mol

【００２４】天然ガス中のメタンの水蒸気改質反応をガ
スタービン排熱を利用して進行させるべく、過剰の水蒸
気を天然ガスと共に投入する（ストリーム２）。この天
然ガスと水蒸気との混合ガスは約６００℃の温度で断熱
型水蒸気改質器に導入され、メタンの一部は水素と二酸
化炭素に転換される（ストリーム３）。ここで、反応を
生成系にシフトさせるべく過剰の水蒸気を同伴させてい
るが、反応系にセラミックス水素分離膜を組込み水素を
系外に取り出すことにより反応を促進させることも可能
である。改質された天然ガスは、熱交換器に導入され、
その有する熱は水蒸気として回収され水蒸気タービンの
駆動源として利用される（ストリーム１１）。一方、熱
回収された改質天然ガス（ストリーム４）は、気液分離
器に導入され水分が除去された後、圧縮機での加圧（ス
トリーム５）、加圧空気との混合を経て燃焼器に導入さ
れ燃焼される。燃焼排ガス（ストリーム７）は、ガスタ
ービンに導入され熱エネルギーが電力として回収され
る。

【００２５】また、図２は、メタノール及び炭化水素ガ
ス燃料としてメタンを含有する天然ガスを利用するガス
タービン複合サイクル発電システムの例である。このシ
ステムには、ガスタービン排ガスの熱エネルギーを利用
してメタノールを水蒸気改質する反応システムが組み込
まれており、メタノールの概ね全量が水蒸気改質により
水素、及び、二酸化炭素に転換され、水素濃度の高い改
質ガスが天然ガスの主成分であるメタンと共に燃焼器に
供給される。メタノールの水蒸気改質反応は吸熱反応で
あり、ガスタービン排熱を熱源として利用する必要があ
るが、前記のメタノール改質反応式に示される様に、１
モルのメタノールから３モルの水素が生成するため、発
熱量の増大、エクセルギーの増幅が可能となる。

【００２６】メタノールの水蒸気改質反応を効率良く行
うために、高圧蒸気タービンの排蒸気の一部（ストリー
ム１２）をメタノールと共に供給し、併せ、ガスタービ
ン排ガス（ストリーム６）の熱を利用して反応熱を供給
する。同水蒸気改質反応は、約２５０℃で進行し、概ね
全量のメタノールが水素と二酸化炭素に転換される（ス
トリーム２）。ここで、反応を生成系にシフトさせるべ
く過剰の水蒸気を供給しているが、反応系に分子篩効果
を有するセラミックス多孔質膜を組込み、生成する水素
を系外に取り出すことにより反応を促進させることも可
能である。燃焼器内での局部的高温度域の生成に起因す
る窒素酸化物生成を抑制すべく、メタノール水蒸気改質
ガスと天然ガスを混合後、燃焼器に供給し、１４５０℃
以上の燃焼ガスを得る（ストリーム５）。この高温燃焼
排ガスは、ガスタービン発電器により電気エネルギーに
変換される。ガスタービン排ガスは、その熱エネルギー
をメタノール水蒸気改質器に供給した後、蒸気タービン
サイクルから生成する水と熱交換し、廃熱回収を完了す
る（トリーム７、８）。このガスタービン排熱回収工程
で発生する高圧水蒸気（ストリーム１０）は、高圧蒸気
タービンにより電気エネルギーに変換される。高圧蒸気
タービンからの低圧排蒸気は（ストリーム１１）の一部
は、メタノール水蒸気改質反応器に導入され反応に利用
され、残りの低圧排蒸気は低圧蒸気タービンにより電気
エネルギーに変換される（ストリーム１３、１４）。

【００２７】なお、本発明において用いる燃料としての
ガスは、天然ガスに限定されることなく、メタンを含む
ガス全般に応用可能であり、例えば、石炭熱分解ガス或
いはコークス炉ガス（ＣＯＧ）を挙げることができ、こ
れらを単独もしくは適宜混合して使用することが可能で
ある。

【００２８】

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。（実施例１）上記基礎データーに基づき、図１に示すシ
ステムを構築した際のプロセス諸元を表１に示す。尚、
表中に示すガス成分濃度は体積％で、流量は百万Ｎｍ³
／日単位（ＭＮｍ³／Ｄ）で示してある。又、システム
のエネルギー収支を表２に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】本実施例では、圧縮器及び膨張タービンの
機械効率を１００％、断熱効率を８０％としている。
又、メタンの水蒸気改質反応の副反応として、以下の反
応も考慮している。２ＣＨ₄＋Ｏ₂＝ＣＯ＋４Ｈ₂ 従って、改質天然ガス中には、一酸化炭素も含まれてい
る（ストリーム５）。燃焼器では熱力学的平衡状態にな
るものとし、又、燃焼ガスのタービン入口温度が１３５
０℃になる様に燃焼機への空気導入量を調整している。

【００３２】（実施例２）上記基本システム概念に基づ
き、図２に示すシステムを構築した際のプロセス諸元を
表３示す。尚、表中に示すガス成分濃度は体積％で、流
量はkgmol/h 単位で示してある。又、システムのエネル
ギー収支を表４に示す。

【００３３】

【表３】

【００３４】

【表４】

【００３５】本実施例では、圧縮器のポリトロープ効
率、及び、ガスタービンの断熱効率を９２．５％、蒸気
タービンの断熱効率を９６％、ポンプの断熱効率を７５
％としている。又、メタノールの水蒸気改質反応におけ
る下記副反応は、生成するＣＯが微少なため無視してい
る。ＣＯ₂＋Ｈ₂＝ＣＯ＋Ｈ₂Ｏメタノール水蒸気改質反応器においては、熱力学的平衡
状態になるものとし、又、燃焼ガスのタービン入口温度
が１４５０℃になる様に燃焼器への空気導入量を調整し
ている。

【００３６】

【発明の効果】本発明の実施例１でのシステムの発電規
模は、約４９万kWとなり、又、発電効率は、高位発熱量
基準で約５９％となる。同一流量の天然ガスを直接燃焼
機に投入しガスタービン複合サイクル発電を行う場合の
発電効率は５３．５％となることから、本発明のシステ
ムにより約５．５％の発電効率向上が達成される。つま
り、燃料使用量として約１０％の削減が可能となり、二
酸化炭素排出量も１０％削減することができる。

【００３７】また、本発明の実施例２のシステムの発電
効率は、約５３％となり、天然ガス、又は、メタノール
を単独燃料とした同様のガスタービン複合サイクル発電
の運転条件下では、発電効率は約５２％となることか
ら、本発明のシステムにより１％強の発電効率向上が達
成される。つまり、燃料使用量として２％強の削減が可
能となり、二酸化炭素排出量も２％強削減することがで
きる。又、メタノールの直接燃焼発電では、不完全燃焼
に伴うアセトアルデヒド等の有害物質の排出が懸念され
ているが、本発明のシステムでは回避でき環境負荷の低
減が可能である。更には、本発明のシステムでは、天然
ガスをメタノールに転換して輸送・貯蔵・流通性を向上
させた燃料として用いるため、燃料導入に際して必要と
なるインフラ整備コストの大幅な低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン排気系に天然ガスの水蒸気改質反
応器と改質天然ガスの熱回収系を組み込み、この改質天
然ガスを燃料ガスとするガスタービン複合サイクル発電
システムの簡単なフローを示す図である。尚、フローを
示す示す矢印上にある円に囲まれた数字はストリーム番
号に対応し、本文（ただし、本文では円は省略）ならび
に表１で参照されている。

【図２】ガスタービン排気系にメタノールの水蒸気改質
反応器を組み込み、高圧蒸気タービン排蒸気を改質反応
用原料として一部供し、このメタノール水蒸気改質ガス
と炭化水素ガス含有燃料としての天然ガスとを混合して
燃料として利用するガスタービン複合サイクル発電シス
テムの簡単なフローを示す図である。尚、フローを示す
示す矢印上にある円に囲まれた数字はストリーム番号に
対応し、本文（ただし、本文では円は省略）ならびに表
３で参照されている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久保祐治神奈川県川崎市中原区井田３丁目35番１号新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者兼田善弘神奈川県川崎市中原区井田３丁目35番１号新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者藤本健一郎神奈川県川崎市中原区井田３丁目35番１号新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者栗村英樹東京都渋谷区幡ケ谷１丁目31番10号帝国石油株式会社内 (72)発明者加賀野井彰一東京都渋谷区幡ケ谷１丁目31番10号帝国石油株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気圧縮機に結合された燃焼機に結合さ
れているガスタービンと、ガスタービンに結合された熱
交換器に連結されている蒸気タービンサイクルとからな
るガスタービン複合サイクル発電システムにおいて、燃
料の水蒸気改質システムを燃焼機に結合したことを特徴
とするガスタービン複合サイクル発電システム。
【請求項２】燃料の水蒸気改質システムにおいて、燃
料を水素ガス主体の改質ガスとする請求項１記載のガス
タービン複合サイクル発電システム。
【請求項３】ガスタービンの排ガスの一部又は全部を
熱源として、燃料の水蒸気改質システムに供給する請求
項１又は２記載のガスタービン複合サイクル発電システ
ム。
【請求項４】ガスタービンの排ガスの一部及び燃料の
水蒸気改質システムが保有する熱を熱交換器に供給する
請求項１〜３の何れか１項に記載のガスタービン複合サ
イクル発電システム。
【請求項５】空気圧縮機に結合された燃焼機に結合さ
れているガスタービンと、ガスタービンに結合された熱
交換器に連結されている蒸気タービンサイクルとを有す
るガスタービン複合サイクル発電システムにおいて、メ
タノール水蒸気改質システムと燃料ガス供給システムと
を燃焼機に結合したことを特徴とするガスタービン複合
サイクル発電システム。
【請求項６】ガスタービン入口ガス温度が１４５０℃
以上である請求項５記載のガスタービン複合サイクル発
電システム。
【請求項７】メタノール水蒸気改質システムがメタノ
ールと蒸気タービンサイクルの排蒸気から水蒸気改質反
応によりメタノール改質ガスを得ると共に、該水蒸気改
質反応に必要な熱エネルギーを蒸気タービンの排蒸気及
び／又はガスタービンの排ガスの一部又は全量により供
給されるシステムである請求項５又は６記載のガスター
ビン複合サイクル発電システム。
【請求項８】メタノール改質ガスと燃料ガスとを予め
混合した後に燃焼機に供給する請求項５〜７の何れか１
項に記載のガスタービン複合サイクル発電システム。
【請求項９】燃料が、メタンを含有する天然ガス、石
炭熱分解ガス及び／又はコークス炉ガスである請求項１
〜８の何れか１項に記載のガスタービン複合サイクル発
電システム。