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JPH11350972A - Gas turbine combined cycle power generation system - Google Patents

Gas turbine combined cycle power generation system

Info

Publication number
JPH11350972A
JPH11350972A JP15790598A JP15790598A JPH11350972A JP H11350972 A JPH11350972 A JP H11350972A JP 15790598 A JP15790598 A JP 15790598A JP 15790598 A JP15790598 A JP 15790598A JP H11350972 A JPH11350972 A JP H11350972A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
power generation
combined cycle
gas turbine
hydrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP15790598A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ikuo Jitsuhara
幾雄 実原
Yoshihiro Kaneda
善弘 兼田
Yuji Kubo
祐治 久保
Hideki Kurimura
英樹 栗村
Shoichi Kaganoi
彰一 加賀野井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teikoku Oil Co Ltd
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Teikoku Oil Co Ltd
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teikoku Oil Co Ltd, Nippon Steel Corp filed Critical Teikoku Oil Co Ltd
Priority to JP15790598A priority Critical patent/JPH11350972A/en
Publication of JPH11350972A publication Critical patent/JPH11350972A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

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
効率向上と、昼夜間電力負荷平準化を可能とする電力負
荷追従性向上を、併せ達成するべく、燃料ガスからの合
成ガス製造を経由した液体燃料製造による電力の化学エ
ネルギー貯蔵と、その水素転換燃焼・発電を統合したシ
ステムを提供すること。 【解決手段】 メタンを含有する燃料ガスを酸素イオン
・電子混合導電性固体電解質膜型反応器に通し、固体電
解質膜の酸素選択透過性能を活用して効率的に部分酸化
することにより合成ガスを製造し、これを原料として貯
蔵性に優れると共に水素放出の容易な液体燃料に転換す
ることにより、電力の化学エネルギー貯蔵を行い、電力
負荷追従性を向上させ、更に、この液体燃料を水蒸気改
質により水素主体のガスとして発電系に導入することに
よりエネルギー効率を向上させるべく設計された、合成
ガス製造〜メタノール製造・貯蔵〜水蒸気改質による水
素製造〜水素燃料系ガスタービン複合サイクル発電まで
を統合した酸素、液体燃料併産型水素転換燃焼ガスター
ビン複合サイクル発電システム。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To produce syngas from fuel gas in order to achieve both the energy efficiency improvement of gas turbine combined cycle power generation and the improvement of power load following ability to enable power load leveling during the day and night. To provide a system that integrates chemical energy storage of electric power by liquid fuel production via the system and its hydrogen conversion combustion and power generation. SOLUTION: A synthesis gas is passed by passing a fuel gas containing methane through an oxygen ion / electron mixed conductive solid electrolyte membrane reactor and efficiently performing partial oxidation by utilizing the oxygen selective permeation performance of the solid electrolyte membrane. By manufacturing it and converting it into a liquid fuel with excellent storage properties and easy hydrogen release as a raw material, it stores chemical energy of electric power, improves the ability to follow the power load, and further reforms this liquid fuel by steam reforming. Integrated from synthesis gas production to methanol production and storage to hydrogen production by steam reforming to hydrogen fuel gas turbine combined cycle power generation designed to improve energy efficiency by introducing hydrogen-based gas into the power generation system Oxygen and liquid fuel co-production hydrogen conversion combustion gas turbine combined cycle power generation system.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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し、特に燃料の改質により
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。又、一
方、現行の発電設備が電力需要ピークに対応した能力設
計であり、昼夜間需要格差が発生し発電設備の稼働形態
に跛行性が生じている事態への対応として、夜間の発電
設備から発生する熱エネルギーを化学エネルギーに変換
・貯蔵し、昼間の需要ピーク時に、この化学エネルギー
を熱エネルギーを経由して電力に変換することにより昼
夜間の電力負荷を平準化する、いわゆる、電力貯蔵、電
力ピークカット技術でもある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas turbine combined cycle power generation system which has been actively adopted as a technique for achieving high-efficiency power generation while suppressing the emission of carbon dioxide, which is regarded as a main working gas for global warming. In particular, the present invention relates to a high-efficiency power generation and energy saving technology characterized by reducing exergy loss during combustion by reforming fuel. On the other hand, the current power generation equipment has a capacity design that responds to the peak demand for electric power. Converting and storing the generated thermal energy into chemical energy, and at the peak of daytime demand, converting this chemical energy into electric power via thermal energy to equalize the power load during the day and night. It is also a power peak cut technology.

【0002】[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
エネ諸策の積極的展開、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、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
つつある。更に、その発電効率向上を狙った技術開発が
実施されているが、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6−10082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)に限定され、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。
2. Description of the Related Art While global environmental issues are becoming increasingly important, global warming due to carbon dioxide has been widely adopted, and controlling carbon dioxide emissions has been renewed as an urgent issue. In addition to the development of renewable energies such as solar cells and wind power generation, active development of energy-saving measures for existing industrial plants, development of technologies to improve the efficiency of power generation equipment, etc., to reduce carbon dioxide within and across industries Technology development is progressing. Among them, natural gas is attracting attention as a clean energy for electric power with a low carbon content, and a gas turbine combined cycle power generation system (GTCC) that uses natural gas as fuel to improve power generation efficiency by connecting to gas turbines and steam turbines Is being developed and commercialized. Further, technical developments aimed at improving the power generation efficiency have been carried out, but most of them are mostly controlled by a steam turbine power generation system (for example, JP-A-6-159091) and a steam-turbine cooling mechanism design (for example, JP-A-9-1991). -170407
JP-A-10-61457), gas turbine blades using superalloys, nozzle designs (for example, JP-A-6-10082 and JP-A-7-70679), low-boiling medium cycle power generation, It is limited to coupling with active gas medium cycle power generation (for example, JP-A-7-166815 and JP-A-9-14560), and there is no technology relating to power generation system design that takes fuel quality into consideration.

【0003】一方、我が国の電力需給実態を概括する
と、情報通信化の進展、経済のソフト化の進展に伴い、
昼夜間の電力格差が拡大し、現状、我が国の電源稼働率
は55%の低水準にまで落ち込んでおり、今後も更なる
低下が見込まれている。昼間、特に、夏場の冷房に要す
る電力がピークの主要因であり、ピークカットによる電
力負荷平準化を行い、健全な電力需給構造の確立に向
け、種々の技術開発が実施されている。代表的な技術開
発項目として、回転エネルギーによる夜間電力貯蔵を目
的としたフライホイール電力貯蔵技術、高性能電池電力
貯蔵技術、氷蓄熱技術、ガス冷房技術の普及促進、等が
民間、国家プロジェクトとして推進されている。
[0003] On the other hand, the general situation of power supply and demand in Japan can be summarized as the progress of information communication and the softening of the economy
The power disparity between day and night has widened, and at present the power supply operation rate in Japan has fallen to a low level of 55%, and further reduction is expected in the future. The power required for cooling in the daytime, especially in summer, is the main factor of the peak, and various technological developments are being carried out to level the power load by peak cut and establish a sound power supply and demand structure. Typical technology development items are flywheel power storage technology, high-performance battery power storage technology, ice heat storage technology, and gas cooling technology for nighttime power storage using rotational energy. Have been.

【0004】ガスタービン複合サイクル発電においても
負荷追従性向上技術開発が散見されるが、その殆どは、
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5−2
72361号公報、特開平8−128304号公報)に
限定され、昼夜間の大きな負荷変動に対応できるだけの
負荷変動追従機能に関する技術は見受けられない。
[0004] In the gas turbine combined cycle power generation, there have been sporadic developments of technologies for improving load following capability.
Switching between the combined power generation mode and the steam turbine single power generation mode (for example, JP-A-6-173615), deviation detection control between a target load and an actual load (for example, JP-A-5-5-2)
No. 72361, Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-128304), and there is no technology relating to a load variation tracking function that can cope with a large load variation between day and night.

【0005】上記の発電効率向上、電力負荷平準化のた
めの技術開発は、質の異なる技術開発で独立性の高い課
題であり、両立を図ることはかなり困難である。例え
ば、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り、現在も尚、高
効率ガスタービンの開発により発電効率は向上している
が、電力負荷平準化という観点から見ると、特に平準化
のための機構が組み込まれているわけではなく、逆に、
熱慣性が大きくなることによる負荷追従性の低下を抑制
することに技術開発の主眼がある。
[0005] The development of technologies for improving the power generation efficiency and leveling the power load is a highly independent subject in the development of technologies of different quality, and it is quite difficult to achieve both. For example, the development of GTCC is intended to improve energy efficiency by collecting combustion energy in cascade using clean gas as a raw material. Even now, power generation efficiency has been improved by the development of high-efficiency gas turbines. However, from the viewpoint of power load leveling, a mechanism for leveling is not particularly built in.
There is a main focus of technology development on suppressing a decrease in load following performance due to an increase in thermal inertia.

【0006】一方、電力負荷平準化を目的としたもので
は無いが、GTCCの熱エネルギーの有効利用を目的と
して、他のプラントとの複合システムが提案されてお
り、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)、LNG気化との組合せ(例えば、特開平9−14
587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)等が散見されるが、特定用途に有効な技術であり、
GTCCに電力負荷追従性を付与することは困難であ
る。例えば、空気分離との組合せ技術について考える
と、大容量酸素、窒素の生産は、これらガスの大手ユー
ザーの立地に近接して深冷分離プラントを設置すること
により行われており、深冷分離法空気分離技術が電力消
費型であることを考慮して安価夜間電力の有効活用の一
環として既に組み込まれているため、空気分離プラント
の効率向上には効果を有するものの、電力負荷平準化に
対しては効果に乏しいものと考えられる。
[0006] On the other hand, a composite system with another plant has been proposed for the purpose of effective use of GTCC heat energy, although it is not intended for power load leveling. (For example, US Pat. No. 5,516,359), combination with a fuel cell (for example, JP-A-9-129255), and combination with LNG vaporization (for example, JP-A-9-14).
587), a combination of a cryogenic air separation plant and compressed air storage power generation (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-13918), and the like.
It is difficult to provide the GTCC with power load following capability. For example, considering the technology combined with air separation, large-capacity oxygen and nitrogen production is performed by installing a cryogenic separation plant close to the location of a major user of these gases. Considering that air separation technology is power-consuming, it has already been incorporated as part of the effective use of inexpensive night-time power. Is considered to be ineffective.

【0007】また、電力負荷平準化技術については、発
電所以降の変電所、配電所、末端受電サイドに於ける対
応技術として位置付けられ、発電設備とは独立して開発
が進行しており、発電の効率化とは直接関係が無いのが
現状である。
[0007] The power load leveling technology is positioned as a technology applicable to substations, distribution stations, and the terminal receiving side after the power plant, and is being developed independently of the power generation equipment. At present, there is no direct relationship with the efficiency of the project.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明では、発電設備
の電力効率向上を燃料の質という観点から見直し、燃料
の有する水素源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、燃焼という不可逆過程
で生じるエクセルギーロスの少ない発電システムを構築
することを目的とする。更には、電力負荷平準化に対し
ては、夜間に熱エネルギーを電力に変換せず貯蔵性の高
い化学エネルギー(化学物質)に変換し、昼間にこの化
学物質をエクセルギーロスの少ない水素に転換し燃料と
して利用することにより高効率発電を行う、電力負荷追
従型高効率ガスタービン複合サイクル発電システムを提
供することにある。高効率発電と電力負荷平準化を結合
する媒体は水素であり、又、水素を容易に発生すると同
時に貯蔵性に優れる液体燃料の製造がコア技術となる。
According to the present invention, the improvement of the power efficiency of the power generation equipment is reviewed from the viewpoint of fuel quality, a hydrogen source of the fuel is extracted as hydrogen gas, and the fuel is converted to a hydrogen-based fuel composition. An object is to construct a power generation system with less exergy loss generated in the irreversible process of combustion. Furthermore, for power load leveling, thermal energy is not converted into electric power at night but converted into chemical energy (chemical substance) with high storability, and this chemical substance is converted into hydrogen with less exergy loss at daytime. An object of the present invention is to provide a high-efficiency gas turbine combined cycle power generation system that follows a power load and performs high-efficiency power generation by using it as fuel. Hydrogen is a medium that combines high-efficiency power generation and power load leveling, and the core technology is to produce liquid fuel that easily generates hydrogen and has excellent storage properties.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明では、天然ガスの
主要構成成分であるメタンはクリーンエネルギー源であ
るばかりで無く、合成ガス化が容易な格好の水素源でも
あり、この合成ガスを原料として液体燃料、特に、容易
にメタノールに転換しうることに着目した。又、メタノ
ールはLNG(液化天然ガス)、ガソリンに代わる移動
体用液体燃料と考えられており、車載用動力源として注
目されている固体高分子型燃料電池(PEFC)は、メ
タノールを原料として、その水蒸気改質で得られる水素
を燃料として60%という高い総合燃料効率(メタノー
ルを燃料として用いる内燃機関では、30%弱)がBe
nz、トヨタ自動車、等にて実証されている。現状、天
然ガスを燃料とするGTCCに於いても50%近い高い
発電効率が得られており、水素主体の燃料構成に変換す
ることにより更なる効率向上が達成できる。これは、水
素に固有の燃焼という不可逆過程でのエクセルギーロス
が少ないことに起因している。つまり、水素は、他の燃
料に比し、現状実現可能な燃焼機関での燃焼反応過程が
反応平衡からのバイアスが低い状態で進行するため、燃
焼という不可逆過程でのエネルギーロスを低く抑える事
が可能となる。
According to the present invention, methane, which is a main component of natural gas, is not only a clean energy source, but also a convenient hydrogen source that can be easily converted into synthesis gas. The focus was on the fact that it can be easily converted to liquid fuel, especially methanol. In addition, methanol is considered to be a liquid fuel for mobile vehicles in place of LNG (liquefied natural gas) and gasoline, and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), which has attracted attention as a power source for vehicles, uses methanol as a raw material. The high overall fuel efficiency of 60% (less than 30% for an internal combustion engine using methanol as fuel) using hydrogen obtained by the steam reforming as fuel is Be.
NZ, Toyota, etc. At present, a high power generation efficiency of nearly 50% is obtained even in a GTCC using natural gas as a fuel, and a further improvement in efficiency can be achieved by converting to a hydrogen-based fuel configuration. This is because the exergy loss in the irreversible process of combustion inherent to hydrogen is small. In other words, as compared with other fuels, the combustion reaction process in a combustion engine that can be realized at present progresses with a low bias from the reaction equilibrium, so that the energy loss in the irreversible process of combustion can be reduced. It becomes possible.

【0010】更には、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。
Furthermore, a process for producing hydrogen from natural gas represented by steam reforming of natural gas is based on an endothermic chemical reaction that proceeds at a lower temperature than the combustion reaction, and converts natural gas into hydrogen. Combustion is considered to be a type of heat pump that pumps heat at low temperatures (endothermic reaction during reforming) and releases heat at high temperatures (exothermic reaction during combustion). It is economically advantageous.

【0011】天然ガスの水蒸気改質による水素生成、燃
料としての利用が、本来、最も効率的なシステムである
が、水素は貯蔵に難点が有り、水素吸蔵合金の開発が進
行しているものの工業化には時間を要するものと考えら
れる。更には、水蒸気改質による水素製造には700℃
以上の温度が必要であり、蒸気タービンから抽出される
蒸気では温度不足であり、更なる熱量の供給、又は、反
応の平衡を水素生成系にシフトさせるべく大量の蒸気が
必要となるため、設備の大型化や未改質メタンの残存が
避けられない。一方、水素源としてのメタノールは、液
体であり貯蔵性に優れると共に、300℃以下の低温で
容易に水蒸気改質され水素を放出するため、GTCC排
蒸気の使用が可能であり、エネルギーをカスケード利用
するという観点からも有利である。これらを総合的に勘
案し、GTCCをベースに種々の水素転換・貯蔵系を鋭
意検討の結果、液体にして良水素生成媒体である(低温
で水蒸気改質され容易に水素を生成)メタノールを化学
エネルギー貯蔵源として活用する系が最適なる事を見い
だし本発明を完成するに至った。
Although the production of hydrogen by steam reforming of natural gas and its use as a fuel are originally the most efficient systems, hydrogen has difficulties in storage, and although the development of hydrogen storage alloys is in progress, the industrialization Is considered to take time. Furthermore, 700 ° C. is required for hydrogen production by steam reforming.
The above temperature is required, and the temperature of the steam extracted from the steam turbine is insufficient, and a large amount of steam is required to supply more heat or shift the equilibrium of the reaction to the hydrogen generation system. Inevitably, the size of the methane becomes large and unreformed methane remains. On the other hand, methanol as a hydrogen source is liquid and has excellent storage properties, and is easily steam reformed at a low temperature of 300 ° C or lower to release hydrogen, so that GTCC exhaust steam can be used and energy can be cascaded. This is also advantageous from the viewpoint of doing so. Taking these factors into account, the intensive study on various hydrogen conversion and storage systems based on GTCC resulted in the conversion of methanol, which is a good hydrogen generation medium (steam reforming at low temperature and easily generates hydrogen) into methanol. The inventors have found that the system used as an energy storage source is optimal, and have completed the present invention.

【0012】天然ガスを原料として液体燃料を合成する
方法には種々あり、合成ガスを経由した間接法が主流で
ある。基礎研究レベルでは、メタンと酸素との混合下、
常温常圧でプラズマ励起し、一段でメタンからのメタノ
ールを合成する手法もあるが、工業化が見通せるレベル
には無い。間接法に立脚した場合、現状の合成ガス製造
の主流は水蒸気改質法であるが、生成する水素と一酸化
炭素の比率は、水素/一酸化炭素=3/1となり、液体
燃料を合成するには水素過剰であり、代表的な液体燃料
製造プロセスであるF−T(フィッシャー−トロプッシ
ュ)合成では、水を併産しつつ分布の広い炭化水素が生
成し効率的で無い。一方、液体燃料合成に適すると言わ
れる合成ガス組成比、水素/一酸化炭素=2/1は、メ
タンの部分酸化により容易に得られるが、酸素供給のた
めの深冷分離法酸素プラントが必要となり、エネルギー
的に不利である。液体燃料としてメタノールを考えた場
合、合成ガス組成比、水素/一酸化炭素=2/1は化学
量論的にメタノール組成に等しく、部分酸化法は理想的
な合成ガス製造方法となる。
There are various methods for synthesizing a liquid fuel using natural gas as a raw material, and an indirect method via synthesis gas is mainly used. At the basic research level, under a mixture of methane and oxygen,
There is also a method of synthesizing methanol from methane in a single step by plasma excitation at room temperature and pressure, but this is not at a level where industrialization can be foreseen. When based on the indirect method, the current mainstream of synthesis gas production is the steam reforming method, but the ratio of generated hydrogen to carbon monoxide is hydrogen / carbon monoxide = 3/1, and liquid fuel is synthesized. In the case of FT (Fischer-Tropsch) synthesis, which is a typical liquid fuel production process, a widely distributed hydrocarbon is produced while simultaneously producing water, which is not efficient. On the other hand, the synthesis gas composition ratio, hydrogen / carbon monoxide = 2/1, which is said to be suitable for liquid fuel synthesis, can be easily obtained by partial oxidation of methane, but requires a cryogenic separation method oxygen plant for oxygen supply. Which is disadvantageous in terms of energy. When methanol is considered as the liquid fuel, the synthesis gas composition ratio, hydrogen / carbon monoxide = 2/1, is stoichiometrically equal to the methanol composition, and the partial oxidation method is an ideal synthesis gas production method.

【0013】この天然ガス部分酸化法に関する技術の中
で、酸素イオン・電子の混合導電性固体電解質を用いる
膜型反応器に着目し、コンパクトで高効率な反応プロセ
スとしてシステムへの組込を検討した。又、当該技術に
関しては、合成ガス製造コストの大幅低減の可能性が示
唆されている(例えば、”Ceramic membrane reactorfo
r converting methane to syngas", Catalysis Today,
36,265−272(1997))。
Among the technologies related to the natural gas partial oxidation method, attention is paid to a membrane reactor using a mixed conductive solid electrolyte of oxygen ions and electrons, and the incorporation into a system as a compact and highly efficient reaction process is studied. did. In addition, it is suggested that the technology can significantly reduce the cost of syngas production (for example, “Ceramic membrane reactor fo
r converting methane to syngas ", Catalysis Today,
36, 265-272 (1997)).

【0014】酸素輸送性固体電解質を利用した膜型メタ
ン部分酸化装置の概略図を図1に示した。この反応器
は、固体電解質膜の透過側にメタン部分酸化用触媒を塗
布することにより、高温(800〜1000℃)下、イ
オン状態で透過する酸素の高活性を活かし、高い反応収
率を併せ実現することができる。
FIG. 1 is a schematic diagram of a membrane type methane partial oxidation apparatus using an oxygen transporting solid electrolyte. In this reactor, a catalyst for partial oxidation of methane is applied to the permeation side of the solid electrolyte membrane to take advantage of the high activity of oxygen permeating in an ionic state at a high temperature (800 to 1000 ° C.) to achieve a high reaction yield. Can be realized.

【0015】本発明では、これらの技術全体観の下、発
電効率の向上と同時に電力負荷変動への追従性を有し、
二酸化炭素の排出を低減する高効率複合発電システムと
して、メタンを含有するガスを燃料として、発電と並行
して部分酸化による合成ガス製造、合成ガスからのメタ
ノール合成、メタノールの水蒸気改質による水素製造、
水素の燃料利用という一連の化学反応プロセスと結合し
た総合システムを提案するものである。メタノールは、
発電用燃料としての利用に止まらず、将来の燃料電池自
動車用燃料としても有望であり、本発明のシステムは、
分散型炭酸ガス発生源からの二酸化炭素排出低減にも大
きく寄与するものと想定される。
According to the present invention, under these general views, the power generation efficiency is improved, and at the same time, it has the ability to follow the power load fluctuation.
As a high-efficiency combined power generation system that reduces carbon dioxide emissions, using methane-containing gas as fuel, in parallel with power generation, syngas production by partial oxidation, synthesis of methanol from synthesis gas, and hydrogen production by steam reforming of methanol ,
It proposes an integrated system combined with a series of chemical reaction processes of using hydrogen as fuel. Methanol is
Not only for use as fuel for power generation, but also promising as fuel for future fuel cell vehicles, the system of the present invention,
It is assumed that it greatly contributes to the reduction of carbon dioxide emission from the dispersed carbon dioxide gas generation source.

【0016】本発明の要旨とするところは、以下の通り
である。 (1)高圧燃焼器と、この燃焼ガスを作動流体とするガ
スタービンシステムと、ガスタービンの排熱を熱源とす
る蒸気タービンシステム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、原料ガスを部分酸化して
合成ガスに変換する膜型反応器と、合成ガスから液体燃
料を製造する反応器と、この液体燃料を水蒸気で改質す
る改質反応器とを介して得られる水素主体のガスの一
部、又は、全量を前記高圧燃焼器に供給することを特徴
とするガスタービン複合サイクル発電システム。 (2)原料ガスを部分酸化して合成ガスに変換する膜型
反応器が、酸素イオン・電子混合導電性固体電解質膜及
びメタン部分酸化触媒層を有する膜型反応器である
(1)記載のガスタービン複合サイクル発電システム。 (3)膜型反応器を酸素富化装置としても利用する
(2)記載のガスタービン複合サイクル発電システム。 (4)原料ガスが、天然ガス、石炭熱分解ガス、及び/
又はコークス炉ガス(COG)である(1)〜(3)の
いずれか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)液体燃料がメタノールである(1)〜(4)のい
ずれか1項に記載のガスタービン複合サイクル発電シス
テム。 (6)(1)〜(5)のいずれか1項に記載のガスター
ビン複合サイクル発電システムにおいて、膜型反応器を
電力負荷の低い夜間には原料ガスを部分酸化して合成ガ
スに変換する反応器として、電力負荷の高い昼間には酸
素富化装置として用い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の運転方法。
The gist of the present invention is as follows. (1) In a gas turbine combined cycle power generation system including a high-pressure combustor, a gas turbine system using the combustion gas as a working fluid, and a steam turbine system using the exhaust heat of the gas turbine as a heat source, the raw material gas is partially oxidized. Of a hydrogen-based gas obtained via a membrane reactor for converting to a synthesis gas, a reactor for producing a liquid fuel from the synthesis gas, and a reforming reactor for reforming the liquid fuel with steam Or a gas turbine combined cycle power generation system, wherein the entire amount is supplied to the high-pressure combustor. (2) The membrane reactor according to (1), wherein the membrane reactor for partially oxidizing the raw material gas and converting it into synthesis gas is a membrane reactor having an oxygen ion / electron mixed conductive solid electrolyte membrane and a methane partial oxidation catalyst layer. Gas turbine combined cycle power generation system. (3) The gas turbine combined cycle power generation system according to (2), wherein the membrane reactor is also used as an oxygen enrichment device. (4) The raw material gas is natural gas, coal pyrolysis gas, and / or
Or the gas turbine combined cycle power generation system according to any one of (1) to (3), which is coke oven gas (COG). (5) The gas turbine combined cycle power generation system according to any one of (1) to (4), wherein the liquid fuel is methanol. (6) In the gas turbine combined cycle power generation system according to any one of (1) to (5), the raw material gas is partially oxidized and converted into synthesis gas in the membrane reactor during the night when the power load is low. A method for operating a gas turbine combined cycle power generation system, wherein the reactor is used as an oxygen enrichment device during the daytime when the power load is high.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。図2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。このシステムには酸素
イオン、電子の両透過能を有する混合電導性固体電解質
膜型反応器が組み込まれており、電力価格の高い昼間に
は、空気から酸素を分離・供給し、夜間には、空気から
酸素を分離すると共に、膜の低圧側に原料である天然ガ
スを流し部分酸化による合成ガス製造装置として活用す
る。この昼夜間の使用目的の違いを考慮して、混合導電
性固体電解質膜の低圧側にメタン部分酸化触媒(網目状
多孔質Rh触媒、等)を塗布することにより、夜間等の
電力負荷低下時には合成ガス製造装置として活用するた
め、天然ガスを低圧側に流し(ストリーム8)、酸素の
イオン状態での透過に加え透過側に形成された触媒層の
反応活性との相乗効果により高収率で天然ガスの部分酸
化反応を進行させる。一方、電力負荷・価格が高い昼間
には、酸素製造装置として活用するため、膜の透過側に
酸素吸引ブロワーを接続し透過酸素を回収する(ストリ
ーム8は無く、図中点線で示される酸素回収系に接続さ
れる)。この固体電解質膜型反応器は、800℃以上の
高温下で有効に作動するため、燃料ガスと空気を高圧
(約16気圧)燃焼バーナーにより燃焼し、生成した燃
焼排ガスの一部と別系列から供給される空気とを混合
し、所定温度に調整して固体電解質膜型反応器に導入さ
れる(ストリーム2)。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be specifically described below. FIG. 2 is an example of a gas turbine combined cycle power generation system using natural gas as fuel. This system incorporates a mixed-conducting solid electrolyte membrane reactor with both oxygen ion and electron permeability, which separates and supplies oxygen from the air during the day when electricity prices are high, and during the night, In addition to separating oxygen from air, natural gas is fed to the low pressure side of the membrane and used as a synthesis gas production device by partial oxidation. In consideration of this difference in the purpose of use during the day and night, by applying a methane partial oxidation catalyst (a mesh-like porous Rh catalyst, etc.) on the low-pressure side of the mixed conductive solid electrolyte membrane, the power load at night or the like can be reduced. In order to utilize as a synthesis gas production device, natural gas is flowed to the low pressure side (stream 8), and high yield is obtained by synergistic effect with the reaction activity of the catalyst layer formed on the permeation side in addition to the permeation of oxygen in the ion state. Partial oxidation of natural gas proceeds. On the other hand, during the daytime when the power load and price are high, an oxygen suction blower is connected to the permeate side of the membrane to recover the permeated oxygen in order to utilize it as an oxygen production device (there is no stream 8; Connected to the system). Since this solid electrolyte membrane reactor operates effectively at a high temperature of 800 ° C. or higher, fuel gas and air are burned by a high-pressure (about 16 atm) combustion burner, and a part of the generated combustion exhaust gas is separated from another series. The supplied air is mixed, adjusted to a predetermined temperature, and introduced into the solid electrolyte membrane reactor (stream 2).

【0018】固体電解質膜型反応器に導入された天然ガ
ス燃焼ガスは、酸素製造時には、含有する酸素が膜を通
して低圧側に透過し吸引ブロワーにより高純度酸素とし
て回収・利用される。一方、酸素が透過して窒素リッチ
となった排ガスは(ストリーム3)、その顕熱利用の観
点から、燃焼バーナーに導入され、燃焼排ガスと混合さ
れ高温(約1400℃)・高圧(約16気圧)排ガスと
してガスタービン駆動源となる(ストリーム4)。ガス
タービンを介して熱エネルギーは電気エネルギーに変換
され、エネルギーレベルの低下した排ガス(ストリーム
5)は、蒸気回収器に導入され、熱エネルギーが蒸気発
生に利用された後、排気される。蒸気タービンでは、発
生した蒸気の熱エネルギーが電気エネルギーに変換さ
れ、エネルギーレベルの低下した蒸気は、中・低温蒸気
として排気され(ストリーム7)、復水後、蒸気発生源
としてシステム内で循環使用される。
When producing oxygen, the natural gas combustion gas introduced into the solid electrolyte membrane reactor passes through the membrane to the low pressure side through the membrane, and is recovered and used as high-purity oxygen by a suction blower. On the other hand, the nitrogen-rich exhaust gas through which oxygen has permeated (stream 3) is introduced into a combustion burner and mixed with the combustion exhaust gas from a viewpoint of utilizing sensible heat, and is mixed with a high temperature (about 1400 ° C.) and high pressure (about 16 atm). ) It becomes a gas turbine drive source as exhaust gas (stream 4). The heat energy is converted into electric energy through the gas turbine, and the exhaust gas (stream 5) having a reduced energy level is introduced into a steam recovery device, and the heat energy is used for generating steam and then exhausted. In the steam turbine, the heat energy of the generated steam is converted into electric energy, and the steam having the reduced energy level is exhausted as medium / low temperature steam (stream 7), and after condensate, is circulated in the system as a steam generation source. Is done.

【0019】上記システムは、酸素併産型ガスタービン
複合サイクル発電システムであるが、酸素製造能力は、
酸素需要に応じ膜面積の調整または加熱空気の流量調整
により操作可能である。この酸素併産型GTCCは、電
力回収しつつ高純度酸素を供給するシステムとして効率
的と考えられ、低温液化状態を冷凍機電力消費により造
りだし蒸留により高純度酸素を得る深冷法酸素製造プラ
ントに比し、逆に、高温状態での酸素の選択的輸送媒体
を用い高純度酸素を取り出しつつ、高温排熱を利用して
電力を回収する点に特徴を有する。又、得られる高純度
酸素は高温であり、この顕熱を利用して酸素利用反応の
効率を向上させることができる。燃焼に利用するケース
として、ゴミ溶融炉用酸素吹き込み、製鉄高炉への微粉
炭吹き込み(PCI)用酸素富化空気随伴、石炭ガス化
用酸素吹き込み等が挙げられる。又、将来的には、直接
還元製鉄用酸素源として利用可能と想定される。又、こ
の顕熱を利用して燃焼以外の酸素が関与する化学反応プ
ロセスへの応用が可能であり、その代表例として、発電
用燃料ガスでもある天然ガスの主要構成成分であるメタ
ンの部分酸化反応に着目した。
The above system is a co-produced gas turbine combined cycle power generation system.
It can be operated by adjusting the membrane area or the flow rate of the heated air according to the oxygen demand. This co-producing oxygen type GTCC is considered to be an efficient system for supplying high-purity oxygen while recovering power. A cryogenic oxygen production plant that creates a low-temperature liquefied state by power consumption of a refrigerator and obtains high-purity oxygen by distillation. On the contrary, it is characterized in that electric power is recovered using high-temperature exhaust heat while extracting high-purity oxygen using a selective transport medium for oxygen in a high-temperature state. The high-purity oxygen obtained has a high temperature, and the sensible heat can be used to improve the efficiency of the oxygen utilization reaction. Examples of the case used for combustion include oxygen injection for a refuse melting furnace, oxygen-enriched air for pulverized coal injection (PCI) into an ironmaking blast furnace, and oxygen injection for coal gasification. In the future, it is assumed that it can be used as an oxygen source for direct reduction steelmaking. In addition, this sensible heat can be used to apply to chemical reaction processes involving oxygen other than combustion. As a typical example, partial oxidation of methane, which is a main component of natural gas that is also a fuel gas for power generation, is possible. We focused on the reaction.

【0020】図2に従い夜間の運転形態の説明を行う。
夜間は、電力需要が低下し、料金も安価となるため、酸
素併産型GTCCの稼働率の低下は避けられず、又、酸
素生産主体の運転に切り替えても副産物となる電力が安
価となるため、経済効果に乏しくなる。本発明では、夜
間に固体電解質膜を天然ガス部分酸化反応器として活用
する。天然ガスを固体電解質膜型反応器の低圧側に流し
(ストリーム8)、天然ガス中の主成分であるメタンと
透過酸素との以下の反応により合成ガスを生成させる。 CH4 +1/2O2 =CO+2H2 この合成ガス生成反応は、Rh系触媒により100%に
近い選択性と収率で進行する。生成した合成ガスは、熱
交換後80気圧まで昇圧され、メタノール反応塔に導入
される(ストリーム9)。メタノール反応塔では、以下
の反応式によりメタノールが合成される。 CO+2H2 =CH3 OH
The operation mode at night will be described with reference to FIG.
In the nighttime, the demand for electricity decreases and the rates become cheaper, so that the operating rate of the co-produced GTCC is inevitably reduced, and even if the operation is switched to the operation based on oxygen production, the electricity as a by-product will be cheaper. Therefore, the economic effect is poor. In the present invention, the solid electrolyte membrane is utilized as a natural gas partial oxidation reactor at night. Natural gas is caused to flow to the low pressure side of the solid electrolyte membrane reactor (stream 8), and synthesis gas is generated by the following reaction between methane, which is a main component in natural gas, and permeated oxygen. CH 4 + 1 / 2O 2 = CO + 2H 2 This synthesis gas generation reaction proceeds with a selectivity and a yield close to 100% by the Rh-based catalyst. The generated synthesis gas is pressurized to 80 atm after heat exchange and introduced into a methanol reaction tower (stream 9). In the methanol reaction tower, methanol is synthesized by the following reaction formula. CO + 2H 2 CHCH 3 OH

【0021】この際、合成ガス中のCO、H2 比率は、
メタノールの化学量論比と同じであり、比率調整の必要
無く直接メタノール反応塔に導入可能である。メタノー
ル合成技術については、特に限定されないが、汎用技術
であり、通常は中低圧法(圧力:約80kg/cm2 、温
度:200〜300℃)が用いられる。合成されたメタ
ノールは、精製等の後処理を経由した後、貯蔵タンクに
送液、貯蔵される(ストリーム10)。更に、このメタ
ノールは、蒸気タービン排蒸気と混合され(ストリーム
11、12)、水蒸気改質器に導入され、以下の反応に
より水素に転換される。 CH3 OH+H2 O=3H2 +CO2
At this time, the CO and H 2 ratio in the synthesis gas is as follows:
It is the same as the stoichiometric ratio of methanol, and can be directly introduced into a methanol reactor without the need for adjusting the ratio. The methanol synthesis technique is not particularly limited, but is a general-purpose technique, and usually employs a medium-low pressure method (pressure: about 80 kg / cm 2 , temperature: 200 to 300 ° C.). The synthesized methanol is subjected to post-treatment such as purification, and then sent to a storage tank and stored (stream 10). Further, this methanol is mixed with steam turbine exhaust steam (streams 11 and 12), introduced into a steam reformer, and converted into hydrogen by the following reaction. CH 3 OH + H 2 O = 3H 2 + CO 2

【0022】この水素リッチなガスは水蒸気を除去後、
燃料としてバーナーに導入され(ストリーム13)、そ
の燃焼ガスは、固体電解質膜型反応器に供給する空気の
顕熱上昇、および、ガスタービン駆動に利用される。
又、過剰なメタノールは貯蔵しておき、電力負荷の高い
昼間に水蒸気改質を経由して水素に転換し、これを燃料
としてシステムを運転することによりオール水素燃料化
が可能となる。この様に、夜間はメタノール合成を主体
としたプロセス運転として熱エネルギーを化学エネルギ
ーとして貯蔵し電力負荷変動に追従性を持たせると共
に、昼夜間を通して燃料系をエクセルギー効率の高い水
素燃料系へと転換し、燃焼効率を向上させることにより
地球温暖化への恒久的対策とすることが本発明の意図す
るところである。
This hydrogen-rich gas, after removing water vapor,
The fuel is introduced into the burner as a fuel (stream 13), and the combustion gas is used for raising the sensible heat of the air supplied to the solid electrolyte membrane reactor and driving the gas turbine.
In addition, excess methanol is stored, converted to hydrogen via steam reforming during the daytime when the power load is high, and the system is operated using this as fuel, so that all-hydrogen fuel can be used. In this way, at night, heat energy is stored as chemical energy as a process operation mainly composed of methanol, and it has the ability to follow power load fluctuations.At the same time, the fuel system is switched to a hydrogen fuel system with high exergy efficiency throughout the day and night. It is the intention of the present invention to provide a permanent measure against global warming by converting and improving combustion efficiency.

【0023】尚、夜間に製造・貯蔵されるメタノール
は、用途に応じ化学薬品、水素源、燃料として外販可能
であり、本発明の複合プロセスは、電力と化学とをメタ
ノールを媒介として結合するシステムとも考えられる。
また、本発明に用いられる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、水
素リッチでメタンを約30%含むコーク炉ガス(CO
G)、メタンを約12%含む石炭急速熱分解ガスにも適
用可能である。本発明では、これらのメタンを含むガス
を単独、或いは適宜混合して用いることができる。
The methanol produced and stored at night can be sold as a chemical, a hydrogen source, or a fuel depending on the application. The combined process of the present invention is a system that combines electric power and chemistry through methanol. You might also say that.
Further, the gas used in the present invention is not limited to natural gas, but can be applied to all gases including methane, and is a hydrogen-rich coke oven gas containing about 30% methane (CO gas).
G) It is applicable to a coal pyrolysis gas containing about 12% of methane. In the present invention, these gases containing methane can be used alone or in a suitable mixture.

【0024】[0024]

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。 (実施例) 酸素イオン・電子混合導電性固体電解質膜の調製方法 (1)多孔質セラミックスの調製 イットリア安定化ジルコニア(YSZ)にて調製した。
YSZ粉末(日産化学製、NZP−C8Y)をボールミ
ル粉砕し、加圧、1100℃で事前焼結後、1300℃
で焼結した。走査型電子顕微鏡観察では、250nm径の
孔が単一分散している状況が確認された。又、水銀ポロ
シメーターを用いての空孔率測定値は28%であった。
The present invention will be described below with reference to examples. (Example) Preparation method of oxygen ion / electron mixed conductive solid electrolyte membrane (1) Preparation of porous ceramics Prepared using yttria-stabilized zirconia (YSZ).
YSZ powder (manufactured by Nissan Chemical Industries, NZP-C8Y) is pulverized by a ball mill, pressurized, pre-sintered at 1100 ° C., and then 1300 ° C.
Sintered. Scanning electron microscopy observation confirmed that 250 nm diameter holes were monodispersed. The measured porosity using a mercury porosimeter was 28%.

【0025】(2)多孔質セラミックスの表面処理 (1)で調製したYSZ多孔質膜の表裏両面ににSr2
Fe3 6.25系薄膜を形成させるべく、先ず、多孔質膜
の表層を処理してナノ多孔質に調製するため、湿式表面
処理薬剤として、YSZパウダーゾルとYSZポリマー
ゾルとの混合溶液を調製した。YSZパウダーゾルとし
て、0.05mol/l の水溶液ジルコニアパウダーゾルに
硝酸イットリウム6水塩を加え、焼成時に(Y2 3
0.08(ZrO2 0.92が生成する様に調合した。又、Y
SZポリマーゾルは、前駆体であるテトラn−ブトキシ
ジルコニウム:キレート剤であるトリエタノールアミ
ン:水を、モル比で1:2:2となる様に混合し、イソ
プロパノールを希釈剤として加水分解、縮合反応を完全
に進行させ原液とした。この時、ジルコニウム濃度は、
0.05mol/l となる様調製した。更に、この原液に、
YSZパウダーゾル調製時と同様に、焼成時の組成が
(Y2 3 0.08(ZrO2 0.92となる様に硝酸イッ
トリウム6水塩を加えYSZポリマーゾル調合液とし
た。上記調製したYSZパウダーゾル調合液とYSZポ
リマーゾル調合液とを体積比で1:1となる様混合し、
(1)で調製したYSZ多孔質膜の表層にディップコー
ティング法により薄膜を形成した。この時、80℃、3
0分乾燥に引き続き600℃、1時間の熱処理条件で乾
燥皮膜を得、乾燥皮膜厚が1μmとなる様、コーティン
グ、熱処理を繰り返した。走査型電子顕微鏡観察では、
20nm径の孔が単一分散している状況が確認された。
尚、この表面処理工程は、次の薄膜製造工程に必須で、
孔径を50nm以下に調整しておかないと、固体電解質薄
膜の安定形成は困難であった。
(2) Surface treatment of porous ceramic Sr 2 on both front and back surfaces of the YSZ porous membrane prepared in (1)
First, a mixed solution of YSZ powder sol and YSZ polymer sol was prepared as a wet surface treatment agent in order to form a Fe 3 O 6.25- based thin film by treating the surface layer of the porous film to be nanoporous. . As a YSZ powder sol, yttrium nitrate hexahydrate is added to a 0.05 mol / l aqueous zirconia powder sol, and (Y 2 O 3 )
0.08 (ZrO 2 ) 0.92 . Also, Y
The SZ polymer sol is prepared by mixing tetra-n-butoxyzirconium as a precursor, triethanolamine as a chelating agent and water in a molar ratio of 1: 2: 2, and hydrolyzing and condensing with isopropanol as a diluent. The reaction was allowed to proceed completely to give a stock solution. At this time, the zirconium concentration is
It was prepared to be 0.05 mol / l. Furthermore, in this stock solution,
Similarly to the preparation of the YSZ powder sol, yttrium nitrate hexahydrate was added so that the composition at the time of firing was (Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 to prepare a YSZ polymer sol preparation. The above prepared YSZ powder sol preparation liquid and YSZ polymer sol preparation liquid are mixed so as to have a volume ratio of 1: 1.
A thin film was formed on the surface layer of the YSZ porous film prepared in (1) by dip coating. At this time, 80 ° C, 3
After drying for 0 minutes, a dried film was obtained under a heat treatment condition of 600 ° C. for 1 hour, and coating and heat treatment were repeated so that the dried film thickness became 1 μm. In scanning electron microscope observation,
It was confirmed that pores having a diameter of 20 nm were monodispersed.
This surface treatment step is indispensable for the next thin film manufacturing step.
Unless the pore diameter is adjusted to 50 nm or less, stable formation of the solid electrolyte thin film was difficult.

【0026】(3)酸素・電子混合導電性固体電解質薄
膜の調製 (2)で調製した表面ナノ多孔質セラミックスの片面に
Sr2 Fe3 6.25薄膜をMOCVD(有機金属化学蒸
着)法を用い形成した。原料として、ジ(ジ−ピバロイ
メタン)ストロンチウム(Sr((CH3 3 CCOC
HCOC(CH3 3 2 )、および、トリ(ジ−ピバ
ロイメタン)鉄(Fe((CH3 3 CCOCHCOC
(CH3 3 3 )を用い、含酸素アルゴンガス中への
随伴下で、基板温度約750℃、圧力約0.01気圧の
条件下で30分蒸着処理を行い、膜厚約5μmの薄膜を
形成した。
(3) Preparation of oxygen / electron mixed conductive solid electrolyte thin film A Sr 2 Fe 3 O 6.25 thin film is formed on one surface of the surface nanoporous ceramic prepared in (2) by MOCVD (organic metal chemical vapor deposition). did. As a raw material, di (di-pivaloymethane) strontium (Sr ((CH 3 ) 3 CCOC)
HCOC (CH 3 ) 3 ) 2 ) and tri (di-pivaloymethane) iron (Fe ((CH 3 ) 3 CCOCHCOC)
Using (CH 3 ) 3 ) 3 ), a vapor deposition treatment is performed for 30 minutes at a substrate temperature of about 750 ° C. and a pressure of about 0.01 atm under adjoining oxygen-containing argon gas. A thin film was formed.

【0027】(4)触媒調製 上記(3)の調製を施した多孔質セラミックスの裏面に
MOCVD(有機金属化学蒸着)法を用いRh薄膜触媒
層を形成した。原料として、トリ(アセチルアセトネー
ト)ロジウム(Rh(CH3 COCHCOCH3 3
を用い、含酸素アルゴンガス中への随伴下で、基板温度
約750℃、圧力約0.01気圧の条件下で10分間の
蒸着処理を行い、膜厚約0.5μmの薄膜を形成した。
更に、温度約800℃に昇温し、空気雰囲気下で5時間
部分酸化処理を施すことにより触媒活性を向上させた。
(4) Preparation of Catalyst A Rh thin film catalyst layer was formed on the back surface of the porous ceramics prepared in the above (3) by MOCVD (organic metal chemical vapor deposition). As a raw material, tri (acetylacetonate) rhodium (Rh (CH 3 COCHCOCH 3 ) 3 )
Then, a vapor deposition treatment was performed for 10 minutes under the condition of a substrate temperature of about 750 ° C. and a pressure of about 0.01 atm under an oxygen-containing argon gas, thereby forming a thin film having a thickness of about 0.5 μm.
Furthermore, the temperature was raised to about 800 ° C., and a partial oxidation treatment was performed in an air atmosphere for 5 hours to improve the catalytic activity.

【0028】(5)酸素透過係数測定、天然ガス部分酸
化反応測定 過剰の空気を天然ガスと加圧混合燃焼し、約15体積%
の酸素を含有する燃焼排ガスを850℃、16気圧の条
件下で、上記(1)〜(4)にて作成した電解質膜に供
給し酸素透過実験を行ったところ、99.9%以上の純
度の酸素が大気圧に調整した透過側に得られ、酸素透過
係数として0.6cm3 (STP)/sec・cm2 という値が
得られた。又、酸素回収率は15%であった。次に、膜
の透過側に天然ガスを導入し、透過する酸素と天然ガス
との部分酸化反応による合成ガス製造実験を行った。透
過酸素に対し99%以上の反応率、部分酸化反応の選択
率として98%の値が得られた。以上の結果により、酸
素・電子混合導電性固体電解質膜が高い酸素透過能力を
有すること、及び、触媒を塗布した酸素・電子混合導電
性固体電解質膜が高い天然ガス部分酸化能力を有するこ
とが明らかとなった。
(5) Oxygen Permeability Coefficient Measurement, Natural Gas Partial Oxidation Reaction Measurement
The oxygen-containing combustion exhaust gas was supplied to the electrolyte membrane prepared in the above (1) to (4) under the conditions of 850 ° C. and 16 atm, and an oxygen permeation experiment was performed. Was obtained on the permeation side adjusted to atmospheric pressure, and a value of 0.6 cm 3 (STP) / sec · cm 2 was obtained as the oxygen permeation coefficient. The oxygen recovery was 15%. Next, a natural gas was introduced into the permeation side of the membrane, and a synthetic gas production experiment was performed by a partial oxidation reaction between the permeated oxygen and the natural gas. A reaction rate of 99% or more with respect to the permeated oxygen and a value of 98% were obtained as the selectivity of the partial oxidation reaction. From the above results, it is clear that the oxygen / electron mixed conductive solid electrolyte membrane has high oxygen permeability, and that the oxygen / electron mixed conductive solid electrolyte membrane coated with the catalyst has high natural gas partial oxidation ability. It became.

【0029】上記基礎データーに基づき、図2に示すプ
ロセスを構築した際の夜間運転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
1000Nm3 /Hr単位(KNm3 /Hr)で示してある。
Table 1 shows the process parameters of the night operation when the process shown in FIG. 2 was constructed based on the above basic data. The gas component concentration shown in the table in% by volume, the flow rate is indicated by 1000 Nm 3 / Hr units (KNm 3 / Hr).

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】本実施例では、以下の条件でのシステム運
転を基礎としている。 バーナー :空燃比 1.2 ガスタービン+蒸気タービン:電力転化率 48%(メタン燃料)、 53%(水素燃料) ガスタービン入側温度 1350℃ ガスタービン出側温度 660℃ ガスタービン入側圧力 16気圧 ガスタービン出側圧力 1気圧 蒸気タービン入側温度 400℃ 蒸気タービン出側温度 280℃ 蒸気タービン入側圧力 50気圧 蒸気タービン出側圧力 1気圧 固体電解質膜型反応器 :ガス入側圧力 16気圧 透過側圧力 1気圧 酸素製造能力 10,000Nm3 /Hr 酸素純度 >99.9% 膜面積 500m2 部分酸化反応 :天然ガス供給量 20,000Nm3 /Hr 天然ガス供給圧力 1気圧 天然ガス転化率 99% 部分酸化反応選択性 98% 反応温度 850℃ メタノール合成反応 :総合反応収率 95% 反応温度 300℃ 反応圧力 80気圧 メタノール水蒸気改質反応 :メタノール転化率 95% 水蒸気/メタノール比 2.0 反応温度 250℃
This embodiment is based on the system operation under the following conditions. Burner: Air-fuel ratio 1.2 Gas turbine + steam turbine: Power conversion rate 48% (methane fuel), 53% (hydrogen fuel) Gas turbine inlet temperature 1350 ° C Gas turbine outlet temperature 660 ° C Gas turbine inlet pressure 16 atm Gas turbine outlet pressure 1 atm Steam turbine inlet temperature 400 ° C Steam turbine outlet temperature 280 ° C Steam turbine inlet pressure 50 atm Steam turbine outlet pressure 1 atm Solid electrolyte membrane reactor: Gas inlet pressure 16 atm Transmission side Pressure 1 atm Oxygen production capacity 10,000 Nm 3 / Hr Oxygen purity> 99.9% Membrane area 500 m 2 Partial oxidation reaction: Natural gas supply 20,000 Nm 3 / Hr Natural gas supply pressure 1 atm Natural gas conversion 99% Oxidation reaction selectivity 98% Reaction temperature 850 ° C Methanol synthesis reaction: Overall reaction yield 95% Reaction temperature 300 ° C Reaction pressure Power 80 atm Methanol steam reforming reaction: Methanol conversion 95% Steam / methanol ratio 2.0 Reaction temperature 250 ° C

【0032】本システムは、固体電解質膜の酸素製造能
力を10,000Nm3 /Hrとして、天然ガス部分酸化に
よる合成ガス製造、メタノール合成、メタノール水蒸気
改質による水素製造、水素を燃料としたガスタービン複
合サイクル発電(高温燃焼ガスの一部は固体電解質膜に
導入され、酸素回収後、残余ガスがガスタービンに導入
される)プロセスを一貫して組み込んだものである。電
力需要の低下する夜間には、余剰電力をメタノールとし
て貯蔵し、昼間の電力需要の増加時に、このメタノール
が水蒸気改質により水素に転換され、これを燃料として
燃焼することにより電力に変換される。
This system has a solid electrolyte membrane with an oxygen production capacity of 10,000 Nm 3 / Hr, a synthesis gas production by partial oxidation of natural gas, a methanol synthesis, a hydrogen production by methanol steam reforming, and a gas turbine using hydrogen as fuel. The combined cycle power generation (a part of the high-temperature combustion gas is introduced into the solid electrolyte membrane, and after recovering oxygen, the remaining gas is introduced into the gas turbine) is integrated. At night when power demand falls, excess power is stored as methanol, and when daytime power demand increases, this methanol is converted to hydrogen by steam reforming and converted to power by burning it as fuel. .

【0033】固体電解質膜の酸素製造能力である10,
000Nm3 /Hrを基準とすると、天然ガスの部分酸化能
力は、化学量論比から、その二倍の20,000Nm3
Hrとなる。部分酸化による合成ガスを原料としてメタノ
ールが生産されるが、その製造容量は、18,434Nm
3 /Hr、重量換算で26.3トン/Hr(630トン/日
強)となる。現行のメタノールプラントの最大製造容量
が1000トン/日・基であり、且つ、本システムが夜
間でのメタノール製造を前提としていることから、1プ
ラントの規模として妥当である。このメタノールは、蒸
気タービンからの280℃の排蒸気と混合後、250℃
で水蒸気改質され、52,537Nm3 /Hrの水素が製造
され、これを発電用燃料として利用する。尚、電力負荷
の高い昼間にはメタノールを製造せず、夜間に蓄積した
メタノールを水蒸気改質して発電用ガスとして供するた
め、膜型反応器の低圧側には原料ガスを流さず(図2中
のストリーム8無し)、空気からの酸素分離装置として
機能させる。
The oxygen production capacity of the solid electrolyte membrane is 10,
On the basis of 000 Nm 3 / Hr, the partial oxidation ability of natural gas is twice as large as 20,000 Nm 3 / H from the stoichiometric ratio.
Hr. Methanol is produced using synthesis gas from partial oxidation as a raw material, and its production capacity is 18,434 Nm.
3 / Hr, 26.3 tons / Hr (more than 630 tons / day) in weight conversion. Since the maximum production capacity of the current methanol plant is 1000 tons / day / unit, and the system is based on the assumption that methanol is produced at night, the scale of one plant is appropriate. This methanol is mixed with the exhaust steam of 280 ° C. from the steam turbine, and then mixed with 250 ° C.
To produce 52,537 Nm 3 / Hr of hydrogen, which is used as a fuel for power generation. Since methanol is not produced during the daytime when the power load is high, and methanol accumulated at night is steam reformed and used as a power generation gas, no raw material gas is supplied to the low pressure side of the membrane reactor (FIG. 2). No stream 8 in the inside), functioning as a device for separating oxygen from air.

【0034】[0034]

【発明の効果】本発明のシステムの発電規模は、約10
万kWとなり、又、発電効率は約50%となる。つまり、
天然ガスを燃料とした場合に比し、約4%の燃料使用量
削減、二酸化炭素の排出低減が可能となる。これは、天
然ガスから水素への燃料転換により燃焼時のエネルギー
ロスが低減し発電効率が向上するためである。
The power generation scale of the system of the present invention is about 10
It will be 10,000 kW, and the power generation efficiency will be about 50%. That is,
Compared to the case where natural gas is used as fuel, it is possible to reduce fuel consumption by about 4% and reduce carbon dioxide emissions. This is because the fuel conversion from natural gas to hydrogen reduces energy loss during combustion and improves power generation efficiency.

【0035】また、本発明のシステムを電力負荷追従性
という観点から見ると、昼夜間電力需要・価格格差を活
用し、昼間は夜間に製造したメタノールの水素転換燃焼
により高効率発電を行いつつ、酸素を製造し、必要な箇
所に安価な酸素として供給する一方、夜間には、固体電
解質膜をメタンの部分酸化に利用することにより合成ガ
ス経由でメタノールを製造し、更に、メタノールの水素
転換燃焼による高効率発電を行い電力需要に応じ供給し
つつ、余ったメタノールは貯蔵して昼間に燃料として供
給することにより昼夜間電力負荷平準化を図ることが可
能となる。更には、昼間に製造する酸素、夜間に製造す
るメタノールの内発電に利用されない余剰分は、外販対
象として収入計上可能であり、プラントの経済性向上に
寄与する。この様に、本発明のシステムは、電力、酸
素、メタノールの需給バランスを考慮して構成要素プラ
ントの容量を自由に操作することができ、立地条件に応
じた最適システム設計も可能となる。
Further, from the viewpoint of the ability to follow the power load, the system of the present invention makes use of the power demand / price difference between day and night, and performs high-efficiency power generation by converting hydrogen produced at night during the hydrogen conversion combustion of methanol. While producing oxygen and supplying it as inexpensive oxygen to the required places, at night, methanol is produced via synthesis gas by using the solid electrolyte membrane for partial oxidation of methane, and furthermore, methanol conversion and combustion In this way, the remaining methanol is stored and supplied as fuel during the day, and the power load can be leveled during the day and night, while generating high-efficiency power and supplying the remaining methanol as fuel during the day. Furthermore, the surplus portion of the oxygen produced during the daytime and the methanol produced at nighttime that is not used for internal power generation can be recorded as revenue for external sales, contributing to the improvement of plant economics. As described above, the system of the present invention can freely operate the capacity of the component plant in consideration of the supply and demand balance of the electric power, oxygen, and methanol, and also enables the optimal system design according to the location conditions.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】酸素イオン・電子混合導電性固体電解質膜中の
酸素透過と、これを利用した天然ガスの部分酸化による
合成ガス製造、並びに、液体燃料製造までのシステム概
念図。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a system including oxygen permeation in an oxygen ion / electron mixed conductive solid electrolyte membrane, synthesis gas production by partial oxidation of natural gas using the same, and liquid fuel production.

【図2】天然ガスを原料として、酸素イオン・電子混合
導電性固体電解質膜型反応器を組み込んだ合成ガス製
造、メタノール合成、メタノール水蒸気改質による水素
転換燃焼発電までの複合サイクルシステムの簡単なフロ
ーを示す図である。尚、図中の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
文ならびに表1で参照されている(ただし本文中では円
は省略している)。
Fig. 2 A simple combined cycle system from natural gas to synthetic gas production incorporating an oxygen ion / electron mixed conductive solid electrolyte membrane reactor, methanol synthesis, and hydrogen conversion and combustion power generation by methanol steam reforming. It is a figure showing a flow. It should be noted that the circled numbers on the arrows indicating the flows in the figure correspond to the stream numbers and are referred to in the text and Table 1 (however, the circles are omitted in the text).

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yuji Kubo 3-35-1, Ida, Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Hideki Kurimura 1 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Teikoku Oil Co., Ltd. (72) Inventor Shoichi Kaganoi 1-31-10 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Inside Teikoku Oil Co., Ltd.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高圧燃焼器と、この燃焼ガスを作動流体
とするガスタービンシステムと、ガスタービンの排熱を
熱源とする蒸気タービンシステム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、原料ガスを部分
酸化して合成ガスに変換する膜型反応器と、合成ガスか
ら液体燃料を製造する反応器と、この液体燃料を水蒸気
で改質する改質反応器とを介して得られる水素主体のガ
スの一部、又は、全量を前記高圧燃焼器に供給すること
を特徴とするガスタービン複合サイクル発電システム。
1. A gas turbine combined cycle power generation system comprising a high-pressure combustor, a gas turbine system using the combustion gas as a working fluid, and a steam turbine system using a waste heat of the gas turbine as a heat source, wherein a raw material gas is partially used. Hydrogen-based gas obtained through a membrane reactor that oxidizes and converts it to synthesis gas, a reactor that produces liquid fuel from synthesis gas, and a reforming reactor that reforms this liquid fuel with steam A gas turbine combined cycle power generation system, wherein part or all of the gas is supplied to the high-pressure combustor.
【請求項2】 原料ガスを部分酸化して合成ガスに変換
する膜型反応器が、酸素イオン・電子混合導電性固体電
解質膜及びメタン部分酸化触媒層を有する膜型反応器で
ある請求項1記載のガスタービン複合サイクル発電シス
テム。
2. A membrane reactor for partially oxidizing a raw material gas to convert it into a synthesis gas is a membrane reactor having an oxygen ion / electron mixed conductive solid electrolyte membrane and a methane partial oxidation catalyst layer. A gas turbine combined cycle power generation system according to claim 1.
【請求項3】 膜型反応器を酸素富化装置としても利用
する請求項2記載のガスタービン複合サイクル発電シス
テム。
3. The gas turbine combined cycle power generation system according to claim 2, wherein the membrane reactor is also used as an oxygen enrichment device.
【請求項4】 原料ガスが、天然ガス、石炭熱分解ガ
ス、及び/又はコークス炉ガス(COG)である請求項
1〜3のいずれか1項に記載のガスタービン複合サイク
ル発電システム。
4. The gas turbine combined cycle power generation system according to claim 1, wherein the raw material gas is natural gas, coal pyrolysis gas, and / or coke oven gas (COG).
【請求項5】 液体燃料がメタノールである請求項1〜
4のいずれか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. The liquid fuel according to claim 1, wherein the liquid fuel is methanol.
5. The gas turbine combined cycle power generation system according to any one of 4.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項に記載のガ
スタービン複合サイクル発電システムにおいて、膜型反
応器を電力負荷の低い夜間には原料ガスを部分酸化して
合成ガスに変換する反応器として、電力負荷の高い昼間
には酸素富化装置として用い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の運転方法。
6. The gas turbine combined cycle power generation system according to claim 1, wherein the raw material gas is partially oxidized and converted into synthesis gas in the membrane reactor at night when the power load is low. A method for operating a gas turbine combined cycle power generation system, wherein the reactor is used as an oxygen enrichment device during the daytime when the power load is high.
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