JPH0261465A - 燃料改質システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばガスタービンと、その排熱エネルギに
より駆動される蒸気タービンとを備えた複合発電プラン
トなどに適用される燃料改質システムに関する。

〔従来の技術〕

従来、ガスタービンと、その排熱エネルギにより駆動さ
れる蒸気タービンとを備えた複合発電プラントにおいて
は、ガスタービンに供給する燃料として液化天然ガス等
のメタン（ＣＨ４）が使用されていたが、最近ではメタ
ノール（ＣＨ３０Ｈ）等のアルコール類を燃料として使
用する試みがなされている（特願昭８１−２２９１５６
号）。

第１０図はメタノールを燃料とする従来の複合発電プラ
ントの概略構成を示す図で、同図においてガスタービン
発電系２は燃料ａを圧縮機２ｃで圧縮された燃焼用空気
すと共に燃焼器１で燃焼させ、その燃焼エネルギにより
ガスタービン２ａを駆動し、さらにガスタービン２ａの
タービン出力によって発電機２ｂを駆動して発電出力を
得るように構成されている。そして、ガスタービン発電
系２のタービン排気Ｃは、排気ダクト８および排気ダク
ト８の上流側端部と下流側端部とを連絡する排気分岐ダ
クト８ａを通って排出されるようになっている。

上記排気ダクト８内にはタービン排気Ｃの排熱を利用し
て蒸気４を発生させるボイラ部３が設置されており、こ
のボイラ部３で発生した蒸気４は蒸気タービン発電系６
に供給され、図示しない蒸気タービンを駆動するように
構成されている。また、前記排気分岐ダクト８ａ内には
燃料ａを触媒の吸熱反応により保有熱量の高い燃料に変
換する反応器７が設置されており、燃料ａは反応器７で
保有熱量を高められた後、ガスタービン発電系２に供給
されるようになっている。なお、排気分岐ダクト８ａの
入口部および出口部には分岐ダクト人口ダンパ８ｂおよ
び分岐ダクト出口ダンパ８Ｃが設置されており、これら
のダンパ８ｂ、８ｃで排気分岐ダクト８ａに流入する排
ガス量を調整する構成となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、このような複合発電プラントでは燃料ａの消
費先がガスタービン等の熱源機のみであるため、熱源機
負荷に見合った燃料ａを供給する必要がある。この場合
、従来ではダンパ８ｂ。

８Ｃを操作して必要排気量のみを排気分岐ダクト８ａに
導入し、残りのタービン排気Ｃは排気ダクト８へ導入す
る構成となっていたため、排気ダクト８内を流れるター
ビン排気Ｃの全てをボイラ部３で蒸気や温水にして負荷
側で全量使用する場合にはプラント効率を最良に維持で
きるが、負荷側の熱消費量が少ないとボイラ部３では必
要熱量しか回収しないため、ボイラ排気温度が高まり、
プラント効率が低下するという問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的は、熱／電力比等の負荷変動を幅広く対応できる
燃料改質システムを提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明は、原料燃料を触媒の
吸熱反応により保有熱量の高い化学吸熱燃料に変換する
化学吸熱反応器と、この化学吸熱反応器に熱源を供給す
る熱源供給設備と、上記化学吸熱反応器からの化学吸熱
燃料を貯蔵する燃料リザーバと、この燃料リザーバから
の化学吸熱燃料を触媒の放熱反応により元の原料燃料に
戻す化学放熱反応器と、この化学放熱反応器に冷却媒体
を供給し放熱エネルギを取出す冷媒供給設備と、上記化
学放熱反応器からの原料燃料を貯蔵するとともに前記化
学吸熱反応器に原料燃料を供給する燃料タンクとを具備
したことを特徴とするものである。

〔作　用〕

本発明では化学吸熱反応器からの化学吸熱燃料を燃料リ
ザーバに貯蔵しておき、熱負荷の必要時に燃料リザーバ
に貯蔵された化学吸熱燃料を化学放熱反応器に供給して
放熱エネルギを取出すようにしたので、熱負荷の変動に
幅広く対応できる。

〔実施例〕

以下、第１図〜第９図を参照して本発明の実施例につい
て説明する。

第１図は本発明による燃料改質システムの基本構成を示
す図で、この燃料改質システムは化学吸熱反応器７、化
学放熱反応器９、熱源機（熱源供給設備）１０、熱負荷
（冷媒供給設備）１１、燃料タンク１２、燃料リザーバ
１３、燃料消費設備１４を備えて構成されている。

前記化学放熱反応器７は、燃料タンク１２からの燃料（
液体）ａを触媒の吸熱反応により保有熱量の高い化学吸
熱燃料（気体）ｄに変換するためのもので、たとえば第
３図に示す如く予熱器７ａ。

蒸発器７ｂ、加熱器７ｃ、触媒反応器７ｄ、過熱器７ｅ
を備えて構成されている。上記予熱器７ａは燃料ａを予
熱するためのもので、予熱器７ａで予熱された燃料ａは
蒸発器７ｂで気化され、さらに加熱器７ｃで加熱された
後、触媒反応器７ｄに導入される構成となっている。こ
の触媒反応器７ｄには燃料ａを化学吸熱反応させる触媒
が充填されており、触媒反応器７ｄに導入された燃料ａ
は化学吸熱反応を起こし、熱源機１０から供給される熱
媒ｅの熱エネルギを吸熱するようになっている。そして
、触媒反応器７を出た化学吸熱燃料ｄは加熱器７ｅで昇
温された後、燃料リザーバ１３に貯えられる構成となっ
ている。なお、触媒反応器７ｄに充填する触媒としては
種々のものが考えられ、燃料ａが例えばメタノールの場
合には分解触媒（貴金属系、Ｎｌ系）や水蒸気改質触媒
（Ｃｕ系）などが考えられる。

前記化学放熱反応器９は、燃料リザーバ１３からの化学
吸熱燃料ｄを触媒の放熱反応により元の燃料ａに戻すた
めのもので、たとえば第５図（ａ）〜（ｃ）に示すよう
に外管９ａと内管９ｂとの間に形成される環状通路に触
媒９ｄを充填し、燃料リザーバ１３からの化学吸熱燃料
ｄを内管９ｂおよび触媒層９ｄを通して燃料タンク１２
へ戻す構造となっている。そして、外管９ａの外側には
熱負荷１１からの冷媒ｆが流れており、この冷媒ｆで触
媒層９ｄを冷却するとともに、放熱エネルギを取出す構
造となっている。なお、図中９０は上部鏡板、９ｅは下
部ｖＬ仮である。また、第５図（ｂ）は冷媒ｆを水とし
た場合の化学吸熱反応器周辺の構成例を示すもので、こ
の例では化学吸熱燃料ｄ４を化学吸熱反応で合成燃料ｄ
５に置換した後、冷却器１７で冷却し、さらに凝縮器１
８で凝縮して燃料ａ３を得ている。そして、凝縮器１８
からは未反応分（気体）を抽気し、循環機１９で昇圧し
て再び化学放熱反応器９に送り込む。

給水ｆ１は冷却器１７で予熱し、蒸気ドラム１６に供給
する。蒸気ドラム１６からの降水管は反応器９の下部と
接続されており、外管９ａの外側に形成された冷媒流路
を上昇するに伴い蒸気を発生する。冷媒流路で発生した
蒸気は蒸気ドラム１６で気水分離した後、熱負荷１１へ
供給される。

なお、第５図（ｂ）の化学吸熱反応器７で得られる蒸気
は蒸気ドラム１６の内圧に見合った飽和蒸気であるが、
さらに高温の過熱蒸気とする場合は（Ｃ）のような構成
とする。すなわち、触媒層９ｄの上部に高温触媒９ｆを
配置し、その外側に蒸気流路９ｇを確保する。触媒層９
ｄと蒸気流路９ｇとは遮断されているので、蒸気ドラム
１６を出た飽和蒸気ｆ２は蒸気流路９ｆを流れる間に過
熱され、過熱蒸気ｆ３となる。一方、熱負荷の条件によ
り高温水が必要な場合は蒸気ドラム１６からドラム水ｆ
４を取出すか、または熱媒流路９ａの途中から所望の水
温ｔ℃の水ｆ５を取出すことが可能である。また、流体
ｆ３．ｆ４．ｆ５の温度を一定に制御する場合は熱源と
なるｄ４の流量調整を行なうとともにドラム圧力とバイ
パス蒸気ｆ４の調節を行なう。

次にガスタービン排気Ｃに対する実施例を第２図に示す
。同図（ａ）は化学吸熱反応器７が加熱器７ｅを持たな
い場合の実施例で、同図（ｂ）は化学吸熱反応器７が加
熱器７ｅを持つ場合の実施例であり、燃料タンク１２に
貯蔵された燃料（液体）ａは、ラインａ２にて化学吸熱
反応器７に供給される。化学吸熱反応器７からの化学吸
熱燃料ｄはラインｄ１にてガスタービン２ａの燃焼器１
へ供給される。この場合、弁ｖ１は所定開度に制御され
、弁ｖ２は全開、弁ｖ３は全開となる。

弁ｖ２および弁ｖ３はラインの切替え弁であり、燃料リ
ザーバ１３の燃料を用いるときは弁ｖ２を全開、弁ｖ２
を全開としてラインｄ３にて化学吸熱燃料ｄを供給する
。

また、ガスタービン２ａの起動に際しては燃料リザーバ
１３に貯蔵されている燃料やラインａｌにて供給される
燃料タンク１２の原料燃料ａを使用し、ガスタービン排
気温度ＴＩを昇温し、化学吸熱反応器７を作動させたの
ち、ラインｄ１゜ｄ２を活かす。なお、ガスタービン発
電系２で消費しない残りの化学吸熱燃料ｄは冷却器１５
て減温した後、燃料リザーバ１３に貯えられる。

ガスタービン２ａでは排気熱の３０〜４０％が自ら消費
する燃料に活用されるため、残りの７Ｏ−６０％の熱つ
まりガスタービン２ａの定格燃料量の約２倍が燃料リザ
ーバ１３に蓄積されることになる。

燃料リザーバ１３に貯蔵された化学吸熱燃料ｄはライン
ｄ４にて化学放熱反応器９に供給され、触媒のもとて元
の原料燃料ａに合成される。そして、このとき熱負荷１
１の冷媒ｆを循環させ、化学放熱反応器９を冷却して吸
熱することにより、熱負荷１１に熱を供給する。冷媒ｆ
にはあらゆるものが応用できるが、化学放熱反応器９に
水を供給して蒸気として熱回収する場合であれば、熱負
荷１１は蒸気タービン、吸収冷凍器、プロセス機器等の
蒸気消費機器を適用することが考えられる。

化学吸熱反応器７の触媒反応器７ｄが使われない場合は
、■ガスタービン２ａの起動直後から反応器入口温度Ｔ
１が所定の温度に到達し、ウオーミングアツプが完了す
るまでの時期、■システム停止動作でガスタービン２ａ
を停止するに際して、触媒反応器７ｄを停止し、クーリ
ングダウンをしている期間、■化学吸熱反応器７を段階
的に建設する場合で、予熱器７　ａ　ｓ蒸発器７ｂ、加
熱器７ｃ（場合によっては触媒反応器７ｄも）を備え、
触媒反応器７ｄが配設されていないか、あるいは配設さ
れていても全く機能しない場合などがあげられる。この
場合は加熱器７Ｃ出口り点から加熱燃料蒸気を取出し、
弁Ｖ５を開弁して燃焼器１に投入する。燃料蒸気をさら
に加熱する場合はルートＤＩにて加熱器７ｅで昇温し、
Ａ点からガスタービン２ａへ供給する。ガスタービン２
ａへ供給する燃料は弁Ｖ２．Ｖｌを経由して燃焼器１に
供給される。なお、メタノール分解の場合の熱回収によ
る燃料のカロリーアップの一例を第４図にボす。

また、メタノール合成の場合、一般に多用されている合
成触媒はＣｕ系で、反応温度は約２００℃であるが、本
実施例で用いる合成触媒は今後開発されるもの（特に高
温で反応する触媒）も含めた中で最適のものとし、特に
指定はしない。

第６図ないし第８図は本発明の他の実施例を示す図で、
第６図（ａ）は排気ダクト８内にボイラ部３を配置し、
分岐ダクト８ａ内に反応器７を配置したものである。ま
た、同図（ｂ）はダクトからのタービン排気Ｃを別個に
排出するもので、反応器７とボイラ部３の運用上の干渉
を少なくしたものである。

第７図は化学吸熱反応器７をガスタービン排気の中に配
置する直接熱交換方式と、ガスタービンの排熱を一旦反
応器用熱媒りに回収し、この熱媒りを熱媒熱交換器２０
と反応器７との間で循環させる関節熱交換方式とを組合
せたものである。なお、第６図の（ａ）（ｂ）は分岐ダ
クト方式、（ｃ）（ｄ）は単一ダクト方式であるが、（
ｃ）のようにボイラ部３で発生する蒸気や高温水を熱媒
として用いることにより機器の簡素化を図ることか可能
である。また、第８図は化学吸熱燃料を化学原料として
使用する場合の実施例を示すもので、同図において２１
は化学プロセス、２２はガス分離、２３はプロセス副生
ガス、２４は高圧蒸気ヘッダ、２５は低圧蒸気ヘッダ、
２６は給水（もどり水）タンク、２７は高温水タンク、
２８は中間水タンク、２９は熱需要である。

第９図は上述したシステム運用での熱利用状況を示すも
ので、同図（ａ）は熱源機１０の負荷（発電量又は機械
駆動力）に対する燃料投入と熱回収の状況を示したもの
である。熱源機１０は化学吸熱燃料で運転され、負荷に
対して直ｆｉｌの傾向を持ち、負荷１００％でのＩの値
を熱利用１００％として他の特性の評価を行なうものと
する。なお、同図はガスタービン発電系の場合を示した
もので、ガスタービンの特徴として無負荷においても燃
料投入ならびに排気熱量が存在している。排気熱量■は
ガスタービン効率が部分負荷で悪くなる傾向に従って次
第に熱源機投入熱量Ｉに近付く特性を持つ。システム投
入熱量■は化学吸熱によるカロリーアップ分ｌより少な
く燃料が節約されている。

■はガスタービン排気熱ＮＵから有効に回収できる熱量
を示し、■のうちガスタービンへ投入する化学吸熱燃料
のカロリーアップ分Ｖを差し引いた残りの■がシステム
として利用可能な総熱量である。紛然ｍＶｌから熱需要
に見合った蒸気（ならびに温水）回収熱量を差し引いた
残りを反応器７の化学吸熱量とバランスさせる。つまり
、第９図（ｂ）に示す如く仮に熱需要■が負荷によらず
一定の運用をしながら１００％から０％まで負荷を変化
させるとした場合、余剰熱■は化学吸熱して燃料リザー
バ１３に蓄熱し、不足熱■は化学放熱反応器９で賄うこ
とができる。なお、■〜■の差に対してどこまで対応で
きるかは、リザーバ１３の容量、反応器７．９の応答性
、システムの応答性等によって異なる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、化学反応を応用し
た吸熱・放熱ならびに化学吸熱燃料の保持により、シス
テムの要求される熱／電力比に幅広く対応できる。また
、吸熱は化学組成の変化に転換され、エネルギーレベル
の高い状態を室温で維持できるため、一般の高温蓄熱に
つきものの保存中の熱損失が存在せず、蓄熱効率が極め
て高い。

さらに蓄熱・放熱の時間的なずれは要因から外れ、時間
単位の熱負荷（［準化から付単位・季節単位の熱負荷平
準化まで可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第９図は本発明の詳細な説明するための図で、
第１図は燃料改質システムの構成図、第２図（ａ）（ｂ
）は燃料改質システムを複合発電プラントに適用した実
施例を示す図、第３図は化学吸熱反応器の構成を示す図
、第４図は化学吸熱反応器での熱回収例を示す図、第５
図（ａ）〜（ｃ）は化学放熱反応器の構成を示す図、第
６図（ａ）（ｂ）はガスタービン排気分岐ダクトに化＃
≠会番を示す図、第８図は直接熱交換方式と間合発電プ
ラントの概略構成図である。 ７・・・化学吸熱反応器、９・・・化学放熱反応器、１
０・・・熱源機、１１・・・熱負荷、１２・・・燃料タ
ンク、１３・・・燃料リザーバ、１４・・・燃料消費設
備。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 （ｂ）　　− 第２　図 第３ 図 第４図 （Ｃ） 第５ 図 ｒ−−−−ｆ２ （ｂ） 第５ 図 （ｂ） 第６ 図 第８ 図 玄６派打１喰術　（０ム） （ａ） 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 原料燃料を触媒の吸熱反応により保有熱量の高い化学吸
   熱燃料に変換する化学吸熱反応器と、この化学吸熱反応
   器に熱源を供給する熱源供給設備と、上記化学吸熱反応
   器からの化学吸熱燃料を貯蔵する燃料リザーバと、この
   燃料リザーバからの化学吸熱燃料を触媒の放熱反応によ
   り元の原料燃料に戻す化学放熱反応器と、この化学放熱
   反応器に冷却媒体を供給し放熱エネルギを取出す冷媒供
   給設備と、上記化学放熱反応器からの原料燃料を貯蔵す
   るとともに前記化学吸熱反応器に原料燃料を供給する燃
   料タンクとを具備したことを特徴とする燃料改質システ
   ム。