JP4232591B2 - 水素生産システム - Google Patents

Description

本発明は、水素生産システムに係り、特に、電力，水素，蒸気を併産するシステムに関する。

タービンの排ガスを利用した水素生産システムとしては、例えば、コンプレッサー，燃焼器，タービン，改質器，スーパーヒータ，蒸発器，節炭器，冷却器，水素分離装置から構成されている。コンプレッサーで圧縮された空気が燃焼器で燃料と混合され燃焼し、その熱エネルギーによってタービンが回る。タービンからの排ガスは改質器に送られ、補助燃料によって高温（８００℃程度）に熱し、蒸気と原燃料との混合ガスを改質する。水素分離後の残ガスが支燃用残ガスとして改質器へ送られる。また改質器を通過したガスタービン排ガスがスーパーヒータ，蒸発器，節炭器の順に送られ改質に必要な蒸気を生産している。改質出口の改質ガスは冷却器で冷却（５００℃程度）され、水素精製装置によって水素ガスと支燃用残ガスに分離される。このようなシステムはいくつか提案されており、例えば、特許文献１などがある。

特開２００２−１２２０３０号公報

図２はＣＨ４の温度による改質率を示した図である。燃料の改質は温度と圧力の影響を受けるものであり、図で示す通り、定圧下において８００℃での改質率は９０％になるが、タービンの排ガス温度５００〜６００℃では、２０〜４０％の改質が限界である。その為、従来技術では、タービン排ガスを補助燃料により８００℃まで燃焼することによって改質率を高めている。しかし、従来の一段改質器による改質手法では、改質温度８００℃まで上げるために多量の追焚き用補助燃料が必要となる。また従来の構成では、改質器出口の改質ガスを冷却器によって冷却しているため、熱エネルギーの損失が大きい。このため総合効率においては、高効率の達成が困難である。

本発明の目的は、総合効率を上げることが可能なガスタービン排熱を利用した水素生産システムを提供するものである。

本発明は、改質器を複数段とし、第一改質器で部分改質を行い、第二改質器で部分改質されたものを高温改質する。具体的には、ガスタービンの排ガスを利用して第一改質器で部分改質を行い、第一改質器出口の排ガスによって蒸気を生産し、生産された蒸気を改質蒸気とプロセス蒸気系統に分割して運用することを可能とし、第一改質器で部分改質された混合ガスを第二改質器において、補助燃料，ガスタービン排ガスの一部，水素分離後の残ガスを利用して高温改質を行い、第二改質器出口の改質ガスと第一改質器入口の混合ガスとの間で熱交換を行う水素生産システムである。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明していく。

図１は、本発明の実施例を示した図である。本発明の構成は、コンプレッサー１，燃焼器２，タービン３，第一改質器４，第二改質器５，スーパーヒータ６，蒸発器７，節炭器８，熱交換器９，水素分離装置１０，圧縮器１１から成り立っている。

空気１２がコンプレッサー１によって圧縮され、燃焼器２においてガスタービン燃料
１３と混合，燃焼することで得られる熱エネルギーによってタービン３を回転させる。タービンからの排ガス１４は、支燃用排ガス１５として第二改質器へ一部送られ、残りのガスタービン排ガスは第一改質器４で原燃料２０と改質蒸気１８の混合ガスを部分改質する。第一改質器４で部分改質を行った排ガスは、スーパーヒータ６，蒸発器７，節炭器８で給水１７を蒸気へ変換する。スーパーヒータ６出口の蒸気は、改質蒸気１８とプロセス蒸気１９へ分割される。第一改質器４で部分改質された部分改質ガス（混合ガス）２１は、第二改質器５で補助燃料２６，ガスタービンの排ガス１５，水素分離後の残ガス２４によって高温改質（８００℃〜９００℃）され、熱交換器９で第一改質器４入口の混合ガスと熱交換されたあと水素分離装置１０にて水素２２と残ガス２３へ分離される。残ガス２３は、運用条件により第二改質器への支燃用残ガス２４，圧縮器１１で昇圧しガスタービン支燃用残ガス２５として利用する。また第二改質器にて改質を行った改質出口排ガス２７はスーパーヒータ６出口の排ガスと共に蒸発器７，節炭器８で熱交換を行い、熱交換後の排ガス１６を大気へ放出する。

このように本構成では、改質構成が第一改質器と第二改質器の２段式になっている。第一改質器でガスタービンの排ガスによって部分改質（温度上昇）された混合ガスが第二改質器で高温改質する仕組みになっているため、１段式に比べ補助燃料を低減することが可能になっている。また、支燃用ガスとしてガスタービン排ガスの一部と水素分離後の残ガスを使用するため、補助燃料の低減につながっている。

さらに本構成は、第二改質器出口の改質ガスを熱交換器によって第一改質器入口の混合ガスと熱交換をおこなっているため、熱エネルギーの有効活用を行っている。

スーパーヒータ６で生産された蒸気は、改質用蒸気１８とプロセス蒸気１９へ分割して利用出来る構成になっている。改質器へ供給する原燃料と蒸気の割合で最低限必要な蒸気量を送ることが可能となる。このため改質に使用される蒸気以外は、プロセス蒸気として有効活用することが出来る。上記図１の構成によって有効な熱エネルギーの活用により総合効率の上昇を可能にした。

図３は、本発明による他の実施例を示す図である。図３に示した構成は基本的には図１の構成と一致しており、対応するところは同一符号により重複を避けるものとする。本構成では、ガスタービン排ガスからの支燃用排ガス１５Ａが第一改質器４出口からの抽出となっている。ガスタービン排ガスを全て第一改質器へ送り、改質器出口の排ガスの一部を第二改質器５の支燃用排ガスとして用いる。本構成によって第一改質器での部分改質量の増加が可能となる。

図４は、本構成の他の実施例を示す図である。本構成は基本的には図１の構成と類似しており同一符号を用いることにより重複を避ける。本構成では、第二改質器５出口の排ガス２７Ａを第一改質器４出口に注入する。第二改質器出口の排ガス２７Ａ温度が第一改質器出口の排ガス温度以上のシステムでは、本構成によって第二改質器出口の排ガス２７Ａの熱エネルギーをスーパーヒータ６，蒸発器７，節炭器８で熱交換することによりさらに総合効率を上げることが可能となる。

図５は、本構成の他の実施例を示す図の一つである。本構成は基本的には図１の構成と類似しており同一符号を用いることにより重複を避ける。本構成では、第二改質器５の出口の排ガス２７Ｂを第一改質器入口のガスタービン排ガス１４に注入する構成になっている。第二改質器出口の排ガス２７Ｂ温度がガスタービン排ガス１４の温度以上であるシステムにおいては、本構成によって第二改質器の排ガス２７Ｂを第一改質器４，スーパーヒータ６，蒸発器７，節炭器８で熱交換することにより熱エネルギーの有効活用が可能となる。

又、本発明の発展例として改質器の数を増やした多段式改質装置が上げられる。多段式改質によって部分改質量を増加させることで補助燃料の低下により、運用手法によっては総合効率の上昇につながる。

本発明によれば、ガスタービン排熱を利用した水素生産システムにおける総合効率を上げることが出来る。

本発明を示す一構成例図である。 ＣＨ４の改質率を示した図である。 本発明を示す他の構成例図である。 本発明を示す他の構成例図である。 本発明を示す他の構成例図である。

符号の説明

１…コンプレッサー、２…燃焼器、３…タービン、４…第一改質器、５…第二改質器、６…スーパーヒータ、７…蒸発器、８…節炭器、９…熱交換器、９Ａ…冷却器、１０…水素分離装置、１１…圧縮器、１２…空気、１３…ガスタービン燃料、１４…ガスタービン排ガス、１５，１５Ａ…支燃用排ガス、１６…排ガス、１７…給水、１８…改質用蒸気、１９…プロセス蒸気、２０…原燃料、２１…部分改質ガス、２２…水素、２３…残ガス、２４…支燃用残ガス、２５…ガスタービン支燃用残ガス、２６…補助燃料、２７，２７Ａ，２７Ｂ…改質出口排ガス。

Claims (5)

1. ガスタービン排ガスの排熱を利用し、改質器で水蒸気と燃料の混合物から水素を生産するシステムにおいて、ガスタービン排ガスの排熱を利用して上記混合物の部分改質を行う第一改質器と、該第一改質器で部分改質された混合物を高温改質する第二改質器とを備え、ガスタービン排ガスの一部を第二改質器の支燃用排ガスとして利用するように構成したことを特徴とする水素生産システム。
2. 前記第一改質器からの排ガスを前記改質用の水蒸気を生産する熱源として用い、生産された水蒸気を、改質用の水蒸気とプロセス蒸気に分割して利用するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水素生産システム。
3. 第二改質器出口の改質ガスと第一改質器入口の混合ガスの間に熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載の水素生産システム。
4. 前記第二改質器で生成された改質ガスを水素分離装置で分離し、水素分離後の残ガスを、前記第二改質器の支燃用残ガスして用いる請求項１〜３の何れかに記載の水素生産システム。
5. 前記第二改質器で生成された改質ガスを水素分離装置で分離し、水素分離後の残ガスを、昇圧し上記内燃機関の支燃用残ガスとして用いることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の水素生産システム。

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