JP7713864B2 - Gas Turbine Systems - Google Patents
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Description
本発明は、アンモニアを分解して得られる水素を燃料として利用するガスタービンシステムに関する。 The present invention relates to a gas turbine system that uses hydrogen obtained by decomposing ammonia as fuel.
ガスタービンシステムの燃料としては、燃焼に伴う二酸化炭素の排出が避けられない化石燃料が利用されている。しかしながら、近年、大気中に放出された二酸化炭素による地球温暖化が問題となっており、これに対応すべく、二酸化炭素の大気中への放出を抑制することが急務となっている。そこで、燃焼時に二酸化炭素の排出を伴わない水素を燃料として利用するガスタービンシステムが注目されている。 Fossil fuels, which inevitably emit carbon dioxide when burned, are used as fuel for gas turbine systems. However, in recent years, global warming caused by carbon dioxide released into the atmosphere has become a problem, and in response to this, there is an urgent need to reduce the release of carbon dioxide into the atmosphere. As a result, gas turbine systems that use hydrogen as fuel, which does not emit carbon dioxide when burned, have attracted attention.
しかしながら、水素はエネルギー密度が低く、化石燃料と比較して、輸送や貯蔵が非効率である。このため、水素を運ぶエネルギーキャリアとしてアンモニアを利用し、アンモニアの分解により水素を取り出して、この水素を燃料として利用するガスタービンシステムの開発が進められている。 However, hydrogen has a low energy density and is inefficient to transport and store compared to fossil fuels. For this reason, progress is being made in the development of a gas turbine system that uses ammonia as an energy carrier to transport hydrogen, extracts hydrogen by decomposing the ammonia, and uses this hydrogen as fuel.
例えば、特許文献1には、アンモニアを熱分解して水素を生成するアンモニア分解装置と、ガスタービンとを組み合わせたガスタービンプラントが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a gas turbine plant that combines an ammonia decomposition device that thermally decomposes ammonia to produce hydrogen, with a gas turbine.
このガスタービンプラントでは、ガスタービンで発生した熱で加熱された蒸気を利用してアンモニア分解装置でアンモニアを熱分解し、水素、窒素及び残存アンモニアを含む分解ガスを生成する。そして、分解ガス中の残存アンモニアをアンモニア除去装置によって除去し、残存アンモニア除去後のガスをガスタービンの燃料ガスとして利用している。また、アンモニア除去装置によって除去した残存アンモニアについては、再度アンモニア分解装置に供給して再利用している。 In this gas turbine plant, ammonia is thermally decomposed in an ammonia decomposition unit using steam heated by heat generated in the gas turbine, producing a decomposition gas containing hydrogen, nitrogen, and residual ammonia. The residual ammonia in the decomposition gas is then removed by an ammonia removal unit, and the gas after the residual ammonia removal is used as fuel gas for the gas turbine. In addition, the residual ammonia removed by the ammonia removal unit is supplied again to the ammonia decomposition unit for reuse.
ところで、上記特許文献1記載のガスタービンプラントでは、システム効率の観点からアンモニア分解装置でのアンモニア分解を高圧(3~5MPa程度)で行うため、アンモニア分解を高温(500~600℃程度)で行う必要がある。このような高温域においては、アンモニアや分解ガス中の残存アンモニアによって、アンモニア分解装置などに使用されている金属材料の窒化が発生する。そのため、上記ガスタービンプラントには、耐久性が低下し易いという問題がある。また、アンモニア分解を高温で行う必要があることから、より多くの蒸気量が必要となり、システムのエネルギー効率が低下するという問題もある。 In the gas turbine plant described in Patent Document 1, ammonia decomposition in the ammonia decomposition unit is performed at high pressure (approximately 3 to 5 MPa) from the perspective of system efficiency, so ammonia decomposition must be performed at high temperature (approximately 500 to 600°C). In such high temperature ranges, the ammonia and the residual ammonia in the decomposition gas cause nitriding of the metal materials used in the ammonia decomposition unit and the like. As a result, the gas turbine plant has the problem that its durability is easily reduced. In addition, since ammonia decomposition must be performed at high temperature, a larger amount of steam is required, which also causes the problem of reduced energy efficiency of the system.
更に、上記ガスタービンプラントでは、残存アンモニアを除去・再利用しているが、アンモニア分解装置からの分解ガス全体をアンモニア除去装置で処理する必要がある。このため、大容量のアンモニア除去装置が必要となり、回収に要するエネルギーも増大し易い。 Furthermore, in the above gas turbine plant, the remaining ammonia is removed and reused, but the entire decomposition gas from the ammonia decomposition unit must be treated in an ammonia removal unit. This requires a large-capacity ammonia removal unit, and the energy required for recovery tends to increase.
加えて、アンモニア除去装置での残存アンモニアの除去にも限界がある。そのため、残存アンモニア除去後のガスにも0.03mol%程度のアンモニアが含まれており、このガスをガスタービンに供給する場合、生成するNOx量が多いため、その低減対策が必要となる。 In addition, there is a limit to the amount of residual ammonia that can be removed using an ammonia removal device. As a result, the gas after the residual ammonia removal still contains approximately 0.03 mol% ammonia. If this gas is supplied to a gas turbine, a large amount of NOx is generated, making it necessary to take measures to reduce this amount.
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであり、耐久性・エネルギー効率に優れ、NOx排出量も抑えられるガスタービンシステムの提供を、その目的とする。 The present invention has been developed in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a gas turbine system that is durable, energy efficient, and has reduced NOx emissions.
上記目的を達成するための本発明に係るガスタービンシステムの特徴構成は、
アンモニア分解触媒が充填された触媒充填部と、アンモニア分解によって発生する分解ガスから水素を分離可能な水素分離膜とからなる膜分離部、及び窒素と残存アンモニアとを含む水素分離処理済みガスから前記残存アンモニアを回収する回収部、前記回収部で回収した残存アンモニアを前記触媒充填部に供給するアンモニアリサイクル路を有したアンモニア分解装置と、
前記触媒充填部にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機、前記膜分離部で分離された水素が水素供給路を通して供給され、供給された水素を前記圧縮空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動するガスタービンを有するガスタービンユニットと、
前記ガスタービンユニットで発生した熱を回収して熱媒体を加熱する排熱回収手段と、を備え、
前記排熱回収手段で加熱された熱媒体が前記アンモニア分解装置に供給され、
前記回収部で前記残存アンモニアが回収された窒素を、第1窒素通流路を通して冷却用ガスとして前記燃焼器及び前記ガスタービンに供給する点にある。
The gas turbine system according to the present invention for achieving the above object has the following characteristic configuration:
an ammonia decomposition apparatus including a catalyst packed section filled with an ammonia decomposition catalyst, a membrane separation section including a hydrogen separation membrane capable of separating hydrogen from a decomposition gas generated by ammonia decomposition, a recovery section for recovering the residual ammonia from a hydrogen separation treated gas containing nitrogen and residual ammonia, and an ammonia recycle path for supplying the residual ammonia recovered in the recovery section to the catalyst packed section;
an ammonia supplying means for supplying ammonia to the catalyst packed section;
a gas turbine unit including a compressor that compresses air to generate compressed air, a combustor to which hydrogen separated in the membrane separation unit is supplied through a hydrogen supply passage and which burns the supplied hydrogen in the compressed air to generate combustion gas, and a gas turbine that is driven by the combustion gas;
and an exhaust heat recovery means for recovering heat generated in the gas turbine unit and heating a heat medium,
The heat medium heated by the exhaust heat recovery means is supplied to the ammonia decomposition device ,
The nitrogen from which the remaining ammonia has been recovered in the recovery section is supplied as a cooling gas to the combustor and the gas turbine through a first nitrogen flow passage .
上記特徴構成によれば、膜分離部において、ガスタービンユニットで発生した熱を利用してアンモニアを分解しながら、分解ガス中から水素を選択的に分離することができる。
つまり、膜分離部は、所謂膜反応器として機能するものであり、当該膜分離部では、アンモニアの分解反応と水素の分離とが並行して進行する。そのため、従来のように、膜反応器を用いないでアンモニアを分解する場合と比較して、高圧下においても高い転化率を維持したまま分解温度を下げられる。よって、アンモニア分解装置などに使用される金属材料の窒化を抑制でき、耐久性が向上する。更に、上記特徴構成によれば、アンモニアの分解を従来よりも低温下で行うことができるため、アンモニア分解装置の加温に必要な熱媒体の量を減らして、システムのエネルギー効率の向上を図ることができる。
また、上記特徴構成によれば、分解ガス中から水素を選択的に分離し、高純度の水素と窒素及び残存アンモニアの水素分離処理済みガスとに分けて得ることができる。したがって、残存アンモニアを回収する際に水素分離処理済みガスを回収部に供給すればよく、処理すべきガスの量が低減されるため、回収部の容積を小さくでき、回収に要するエネルギーを低減できる。また、ガスタービンユニットの燃料として高純度の水素を供給できるので、熱効率も向上する。更に、ガスタービンユニットに供給される燃料にアンモニアが残存していない、或いは残存していたとしても従来と比較して極めて少量であるため、NOx排出量も低減できる。
以上のように、上記特徴構成によれば、耐久性・エネルギー効率に優れ、NOx排出量も抑えられるガスタービンシステムを実現できる。
According to the above-mentioned characteristic configuration, in the membrane separation section, it is possible to selectively separate hydrogen from the cracked gas while decomposing ammonia by utilizing the heat generated in the gas turbine unit.
That is, the membrane separation section functions as a so-called membrane reactor, in which the decomposition reaction of ammonia and the separation of hydrogen proceed in parallel. Therefore, compared to the conventional case of decomposing ammonia without using a membrane reactor, the decomposition temperature can be lowered while maintaining a high conversion rate even under high pressure. Therefore, nitridation of metal materials used in ammonia decomposition devices and the like can be suppressed, and durability can be improved. Furthermore, according to the above characteristic configuration, since the decomposition of ammonia can be performed at a lower temperature than in the past, the amount of heat medium required to heat the ammonia decomposition device can be reduced, and the energy efficiency of the system can be improved.
Furthermore, according to the above characteristic configuration, hydrogen can be selectively separated from the cracked gas, and high-purity hydrogen and hydrogen-separated gas containing nitrogen and remaining ammonia can be obtained separately. Therefore, when recovering the remaining ammonia, it is sufficient to supply the hydrogen-separated gas to the recovery section, and since the amount of gas to be treated is reduced, the volume of the recovery section can be reduced, and the energy required for recovery can be reduced. In addition, since high-purity hydrogen can be supplied as fuel for the gas turbine unit, thermal efficiency is also improved. Furthermore, since there is no ammonia remaining in the fuel supplied to the gas turbine unit, or even if there is, the amount is extremely small compared to the conventional method, NOx emissions can also be reduced.
As described above, according to the above-mentioned characteristic configuration, a gas turbine system that is excellent in durability and energy efficiency and also reduces NOx emissions can be realized.
また、上記特徴構成によれば、回収部で残存アンモニアが回収された窒素を、ガスタービンユニットのガスタービンや燃焼器などの高温部材の冷却に使用することができる。したがって、ガスタービンや燃焼器に高価な耐熱材料を使用することなく、高温での運転が可能となり、熱効率の向上やコストの低減を図ることができる。Furthermore, according to the above-mentioned characteristic configuration, the nitrogen from which the remaining ammonia has been recovered in the recovery section can be used to cool high-temperature components of the gas turbine unit, such as the gas turbine and combustor, etc. Therefore, it is possible to operate at high temperatures without using expensive heat-resistant materials for the gas turbine and combustor, thereby improving thermal efficiency and reducing costs.
上記目的を達成するための本発明に係るガスタービンシステムの特徴構成は、The gas turbine system according to the present invention for achieving the above object has the following characteristic configuration:
アンモニア分解触媒が充填された触媒充填部と、アンモニア分解によって発生する分解ガスから水素を分離可能な水素分離膜とからなる膜分離部、及び窒素と残存アンモニアとを含む水素分離処理済みガスから前記残存アンモニアを回収する回収部、前記回収部で回収した残存アンモニアを前記触媒充填部に供給するアンモニアリサイクル路を有したアンモニア分解装置と、an ammonia decomposition apparatus including a catalyst packed section filled with an ammonia decomposition catalyst, a membrane separation section including a hydrogen separation membrane capable of separating hydrogen from a decomposition gas generated by ammonia decomposition, a recovery section for recovering the residual ammonia from a hydrogen separation treated gas containing nitrogen and residual ammonia, and an ammonia recycle path for supplying the residual ammonia recovered in the recovery section to the catalyst packed section;
前記触媒充填部にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、an ammonia supplying means for supplying ammonia to the catalyst packed section;
空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機、前記膜分離部で分離された水素が水素供給路を通して供給され、供給された水素を前記圧縮空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動するガスタービンを有するガスタービンユニットと、a gas turbine unit including a compressor that compresses air to generate compressed air, a combustor to which hydrogen separated in the membrane separation unit is supplied through a hydrogen supply passage and which burns the supplied hydrogen in the compressed air to generate combustion gas, and a gas turbine that is driven by the combustion gas;
前記ガスタービンユニットで発生した熱を回収して熱媒体を加熱する排熱回収手段と、を備え、and an exhaust heat recovery means for recovering heat generated in the gas turbine unit and heating a heat medium,
前記排熱回収手段で加熱された熱媒体が前記アンモニア分解装置に供給され、The heat medium heated by the exhaust heat recovery means is supplied to the ammonia decomposition device,
前記回収部で前記残存アンモニアが回収された窒素が通流する第2窒素通流路が、前記水素供給路に接続し、a second nitrogen flow passage through which the nitrogen from which the residual ammonia has been recovered in the recovery section flows is connected to the hydrogen supply passage;
前記水素と前記窒素との混合ガスを、前記燃焼器に供給可能に構成されている点にある。The present invention is characterized in that a mixed gas of the hydrogen and the nitrogen can be supplied to the combustor.
上記特徴構成によれば、膜分離部において、ガスタービンユニットで発生した熱を利用してアンモニアを分解しながら、分解ガス中から水素を選択的に分離することができる。According to the above-described characteristic configuration, in the membrane separation section, it is possible to selectively separate hydrogen from the cracked gas while decomposing ammonia by utilizing the heat generated in the gas turbine unit.
つまり、膜分離部は、所謂膜反応器として機能するものであり、当該膜分離部では、アンモニアの分解反応と水素の分離とが並行して進行する。そのため、従来のように、膜反応器を用いないでアンモニアを分解する場合と比較して、高圧下においても高い転化率を維持したまま分解温度を下げられる。よって、アンモニア分解装置などに使用される金属材料の窒化を抑制でき、耐久性が向上する。更に、上記特徴構成によれば、アンモニアの分解を従来よりも低温下で行うことができるため、アンモニア分解装置の加温に必要な熱媒体の量を減らして、システムのエネルギー効率の向上を図ることができる。That is, the membrane separation section functions as a so-called membrane reactor, in which the decomposition reaction of ammonia and the separation of hydrogen proceed in parallel. Therefore, compared to the conventional case of decomposing ammonia without using a membrane reactor, the decomposition temperature can be lowered while maintaining a high conversion rate even under high pressure. Therefore, nitridation of metal materials used in ammonia decomposition devices and the like can be suppressed, and durability can be improved. Furthermore, according to the above characteristic configuration, since the decomposition of ammonia can be performed at a lower temperature than in the past, the amount of heat medium required to heat the ammonia decomposition device can be reduced, and the energy efficiency of the system can be improved.
また、上記特徴構成によれば、分解ガス中から水素を選択的に分離し、高純度の水素と窒素及び残存アンモニアの水素分離処理済みガスとに分けて得ることができる。したがって、残存アンモニアを回収する際に水素分離処理済みガスを回収部に供給すればよく、処理すべきガスの量が低減されるため、回収部の容積を小さくでき、回収に要するエネルギーを低減できる。また、ガスタービンユニットの燃料として高純度の水素を供給できるので、熱効率も向上する。更に、ガスタービンユニットに供給される燃料にアンモニアが残存していない、或いは残存していたとしても従来と比較して極めて少量であるため、NOx排出量も低減できる。Furthermore, according to the above characteristic configuration, hydrogen can be selectively separated from the cracked gas, and high-purity hydrogen and hydrogen-separated gas containing nitrogen and remaining ammonia can be obtained separately. Therefore, when recovering the remaining ammonia, it is sufficient to supply the hydrogen-separated gas to the recovery section, and since the amount of gas to be treated is reduced, the volume of the recovery section can be reduced, and the energy required for recovery can be reduced. In addition, since high-purity hydrogen can be supplied as fuel for the gas turbine unit, thermal efficiency is also improved. Furthermore, since there is no ammonia remaining in the fuel supplied to the gas turbine unit, or even if there is, the amount is extremely small compared to the conventional method, NOx emissions can also be reduced.
以上のように、上記特徴構成によれば、耐久性・エネルギー効率に優れ、NOx排出量も抑えられるガスタービンシステムを実現できる。As described above, according to the above-mentioned characteristic configuration, a gas turbine system that is excellent in durability and energy efficiency and also reduces NOx emissions can be realized.
また、例えば、水素のみを燃料として供給する場合、ガスタービンユニットへの燃料供給量を絞る必要が生じた際に、供給量が一定以下になると逆火が発生して安定燃焼が得られない虞がある。上記特徴構成によれば、ガスタービンユニットへ水素と窒素との混合ガスを供給できるため、燃料供給量を絞る必要が生じた際に、最適な量の窒素を水素に混合したガスを供給でき、安定燃焼を得ることができる。Furthermore, for example, when only hydrogen is supplied as fuel, if it becomes necessary to throttle the amount of fuel supplied to the gas turbine unit, backfire may occur if the amount of fuel supplied falls below a certain level, resulting in unstable combustion. According to the above-described characteristic configuration, a mixed gas of hydrogen and nitrogen can be supplied to the gas turbine unit, and therefore, when it becomes necessary to throttle the amount of fuel supplied, a gas in which an optimal amount of nitrogen is mixed with hydrogen can be supplied, thereby ensuring stable combustion.
本発明に係るガスタービンシステムの更なる特徴構成は、
前記回収部で前記残存アンモニアが回収された窒素が通流する第2窒素通流路が、前記水素供給路に接続し、
前記水素と前記窒素との混合ガスを、前記燃焼器に供給可能に構成されている点にある。
A further characteristic configuration of the gas turbine system according to the present invention is
a second nitrogen flow passage through which the nitrogen from which the residual ammonia has been recovered in the recovery section flows is connected to the hydrogen supply passage;
The present invention is characterized in that a mixed gas of the hydrogen and the nitrogen can be supplied to the combustor.
例えば、水素のみを燃料として供給する場合、ガスタービンユニットへの燃料供給量を絞る必要が生じた際に、供給量が一定以下になると逆火が発生して安定燃焼が得られない虞がある。上記特徴構成によれば、ガスタービンユニットへ水素と窒素との混合ガスを供給できるため、燃料供給量を絞る必要が生じた際に、最適な量の窒素を水素に混合したガスを供給でき、安定燃焼を得ることができる。 For example, when only hydrogen is supplied as fuel, if it becomes necessary to reduce the amount of fuel supplied to the gas turbine unit, backfiring may occur if the amount of supply falls below a certain level, resulting in unstable combustion. With the above characteristic configuration, a mixed gas of hydrogen and nitrogen can be supplied to the gas turbine unit, so that when it becomes necessary to reduce the amount of fuel supplied, an optimal amount of nitrogen mixed with hydrogen can be supplied, resulting in stable combustion.
本発明に係るガスタービンシステムの更なる特徴構成は、
前記混合ガス中の前記水素と前記窒素との混合比を負荷変動に応じて調整する制御部を備える点にある。
A further characteristic configuration of the gas turbine system according to the present invention is
The present invention is characterized in that a control unit is provided for adjusting the mixture ratio of the hydrogen and the nitrogen in the mixed gas in response to load fluctuations.
上記特徴構成によれば、負荷変動に応じて混合ガスの混合比を調整できる。つまり、負荷に応じて、水素に対し最適な量の窒素が混合された状態となるように混合比を調整し、混合比が調整された混合ガスを燃料ガスとしてガスタービンユニットに供給できる。したがって、例えば、水素の要求量が多い高負荷の場合には、混合比(水素:窒素)を100:0に調整し、水素のみを燃料としてガスタービンユニットに供給して、高い熱効率を得ることができる。一方、負荷がそれほど高くない(低負荷)の場合には、逆火の発生を抑えて安定した燃焼状態を得ることができる。つまり、上記特徴構成によれば、負荷変動に応じた適切な混合比となるように水素と窒素とを混合し、高い熱効率を得つつ、負荷が変動しても常に安定した燃焼状態を維持できる。これにより、例えば、ガスタービンシステムをガスタービンコンバインドサイクル発電システムとして利用する場合には、電力の安定供給が可能となる。 According to the above characteristic configuration, the mixture ratio of the mixed gas can be adjusted according to the load fluctuation. In other words, the mixture ratio can be adjusted so that the optimal amount of nitrogen is mixed with hydrogen according to the load, and the mixed gas with the adjusted mixture ratio can be supplied to the gas turbine unit as fuel gas. Therefore, for example, in the case of a high load where a large amount of hydrogen is required, the mixture ratio (hydrogen:nitrogen) can be adjusted to 100:0, and only hydrogen can be supplied to the gas turbine unit as fuel, thereby obtaining high thermal efficiency. On the other hand, in the case of a low load (low load), the occurrence of backfire can be suppressed and a stable combustion state can be obtained. In other words, according to the above characteristic configuration, hydrogen and nitrogen can be mixed to obtain an appropriate mixture ratio according to the load fluctuation, and a stable combustion state can be maintained at all times even if the load fluctuates while obtaining high thermal efficiency. As a result, for example, when the gas turbine system is used as a gas turbine combined cycle power generation system, a stable supply of power is possible.
本発明に係るガスタービンシステムの更なる特徴構成は、
前記アンモニア供給手段は、大気圧よりも高い供給圧で前記アンモニアを供給する点にある。
A further characteristic configuration of the gas turbine system according to the present invention is
The ammonia supply means supplies the ammonia at a supply pressure higher than atmospheric pressure.
上記特徴構成によれば、触媒充填部側で生成した水素の透過を促進でき、アンモニア分解を促進できる。 The above characteristic configuration can promote the permeation of hydrogen generated in the catalyst-filled section, thereby accelerating ammonia decomposition.
本発明に係るガスタービンシステムの更なる特徴構成は、
前記膜分離部における水素透過側が前記触媒充填部側よりも低圧となるように、前記水素の通流方向下流側から前記水素透過側を減圧する減圧手段を備える点にある。
A further characteristic configuration of the gas turbine system according to the present invention is
The present invention is characterized in that it comprises a pressure reducing means for reducing the pressure on the hydrogen permeation side of the membrane separation section from the downstream side in the hydrogen flow direction so that the pressure on the hydrogen permeation side of the membrane separation section is lower than that on the catalyst-packed section side.
上記特徴構成によれば、触媒充填部側で生成した水素の透過やアンモニア分解をより促進できる。 The above characteristic configuration can further promote the permeation of hydrogen and the decomposition of ammonia generated in the catalyst-filled section.
本発明に係るガスタービンシステムの更なる特徴構成は、
前記膜分離部における水素透過側にスイープガスを供給するスイープガス供給手段を備える点にある。
A further characteristic configuration of the gas turbine system according to the present invention is
The present invention is characterized in that it comprises a sweep gas supplying means for supplying a sweep gas to the hydrogen permeation side of the membrane separation section.
上記特徴構成によれば、触媒充填部側で生成した水素の透過やアンモニア分解をより促進できる。 The above characteristic configuration can further promote the permeation of hydrogen and the decomposition of ammonia generated in the catalyst-filled section.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムについて説明する。尚、以下においては、ガスタービンシステムがガスタービンコンバインドサイクル発電システム(GTCC)である場合を例にとって説明する。 A gas turbine system according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the following description will be given by taking as an example a case in which the gas turbine system is a gas turbine combined cycle power generation system (GTCC).
図1は、一実施形態に係るガスタービンコンバインドサイクル発電システム1の概略構成を示す図である。図1に示すように、ガスタービンコンバインドサイクル発電システム1は、アンモニアを分解して水素を生成するアンモニア分解装置2と、アンモニア分解装置2にアンモニアを供給するアンモニア供給部10(アンモニア供給手段)と、水素を燃料として利用して燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスによってガスタービン18が回転駆動するガスタービンユニット15と、ガスタービンユニット15で発生した熱を回収して熱媒体としての水を加熱する排熱回収ボイラーユニット20(排熱回収手段)と、を備えている。また、ガスタービンコンバインドサイクル発電システム1は、各部の動作を制御する制御装置25(制御部)や、排熱回収ボイラーユニット20で発生させた蒸気により蒸気タービン22が回転駆動する蒸気タービンユニット21、回転力を利用して発電する第1発電機19、第2発電機23などを備えている。 1 is a diagram showing a schematic configuration of a gas turbine combined cycle power generation system 1 according to one embodiment. As shown in FIG. 1, the gas turbine combined cycle power generation system 1 includes an ammonia decomposition device 2 that decomposes ammonia to generate hydrogen, an ammonia supply unit 10 (ammonia supply means) that supplies ammonia to the ammonia decomposition device 2, a gas turbine unit 15 that generates combustion gas using hydrogen as fuel and rotates a gas turbine 18 using the combustion gas, and a heat recovery boiler unit 20 (exhaust heat recovery means) that recovers heat generated in the gas turbine unit 15 and heats water as a heat medium. The gas turbine combined cycle power generation system 1 also includes a control device 25 (control unit) that controls the operation of each unit, a steam turbine unit 21 in which a steam turbine 22 is rotated by steam generated in the heat recovery boiler unit 20, a first generator 19, a second generator 23, and the like that generate electricity using the rotational force.
アンモニア分解装置2は、アンモニアを分解して水素を生成する装置であり、膜分離部3と、アンモニア回収部6(回収部)と、アンモニアリサイクル路L6とを有している。 The ammonia decomposition device 2 is a device that decomposes ammonia to produce hydrogen, and has a membrane separation section 3, an ammonia recovery section 6 (recovery section), and an ammonia recycle line L6.
膜分離部3は、所謂膜反応器として機能するように構成されており、アンモニア分解触媒Cが充填される触媒充填部4と、アンモニア分解によって発生する水素を分離可能な水素分離膜3bとからなる。本実施形態において、膜分離部3は、外管としての金属管3aと内管としての円筒状の水素分離膜3bとからなる二重管構造となっており、金属管3aと水素分離膜3bとの間にアンモニア分解触媒Cが充填され、触媒充填部4が形成されている。尚、アンモニア分解触媒Cとしては、Fe系、Co系、Ni系、Ru系などを例示できる。また、水素分離膜3bとしては、例えば、シリカ膜、ゼオライト膜、パラジウム膜、炭素膜、MOF(金属有機構造体)膜などを例示できる。 The membrane separation section 3 is configured to function as a so-called membrane reactor, and is composed of a catalyst-filled section 4 filled with an ammonia decomposition catalyst C, and a hydrogen separation membrane 3b capable of separating hydrogen generated by ammonia decomposition. In this embodiment, the membrane separation section 3 has a double-tube structure consisting of a metal tube 3a as an outer tube and a cylindrical hydrogen separation membrane 3b as an inner tube, and an ammonia decomposition catalyst C is filled between the metal tube 3a and the hydrogen separation membrane 3b to form the catalyst-filled section 4. Examples of the ammonia decomposition catalyst C include Fe-based, Co-based, Ni-based, and Ru-based catalysts. Examples of the hydrogen separation membrane 3b include a silica membrane, a zeolite membrane, a palladium membrane, a carbon membrane, and a MOF (metal-organic framework) membrane.
膜分離部3は、後述する排熱回収ボイラーユニット20から第1蒸気供給路L10を通して蒸気が供給されるようになっており、この蒸気によって膜分離部3が加熱され、触媒充填部4内のアンモニア分解触媒Cが所定温度(例えば、300~450℃)に加熱される。また、膜分離部3の触媒充填部4には、一端が後述するアンモニア供給用ポンプ12に接続したアンモニア供給路L1を通してアンモニアが所定の供給圧で供給される。 The membrane separation section 3 is supplied with steam from the heat recovery boiler unit 20 (described later) through the first steam supply passage L10, and the membrane separation section 3 is heated by this steam, and the ammonia decomposition catalyst C in the catalyst packing section 4 is heated to a predetermined temperature (e.g., 300 to 450°C). In addition, ammonia is supplied to the catalyst packing section 4 of the membrane separation section 3 at a predetermined supply pressure through the ammonia supply passage L1, one end of which is connected to the ammonia supply pump 12 (described later).
ここで、膜分離部3においては、アンモニア分解触媒Cを所定温度に加熱し、触媒充填部4にアンモニアを圧送することで、アンモニア分解触媒Cの作用によってアンモニアが分解し、水素及び窒素を含む分解ガスが生成されるが、分解ガスのうち水素は、円筒状の水素分離膜3bを透過して内側(水素透過側)に選択的に分離される。即ち、膜分離部3においては、アンモニアの分解と水素の分離とが並行して進行する。 Here, in the membrane separation section 3, the ammonia decomposition catalyst C is heated to a predetermined temperature, and ammonia is pumped into the catalyst packing section 4, where the ammonia is decomposed by the action of the ammonia decomposition catalyst C to generate decomposition gas containing hydrogen and nitrogen. Of the decomposition gas, hydrogen permeates the cylindrical hydrogen separation membrane 3b and is selectively separated to the inside (hydrogen permeation side). That is, in the membrane separation section 3, the decomposition of ammonia and the separation of hydrogen proceed in parallel.
したがって、膜分離部3を備えていることで、上記のように、アンモニアを所定の供給圧で供給するような比較的高圧な条件下においても高い転化率を維持したまま、300~450℃程度の温度でアンモニアの分解反応を進行させることができる。そのため、アンモニア分解装置2に使用される金属材料の窒化を抑制でき、アンモニア分解装置2が高耐久性を有したものとなる。また、アンモニアの分解を低温下で行うことができるため、第1蒸気供給路L10を通して供給する蒸気量を削減でき、システム全体としてのエネルギー効率が向上する。 Therefore, by providing the membrane separation section 3, as described above, it is possible to proceed with the decomposition reaction of ammonia at a temperature of about 300 to 450°C while maintaining a high conversion rate even under relatively high pressure conditions in which ammonia is supplied at a specified supply pressure. This makes it possible to suppress nitridation of the metal material used in the ammonia decomposition device 2, resulting in a highly durable ammonia decomposition device 2. In addition, because ammonia decomposition can be performed at a low temperature, the amount of steam supplied through the first steam supply path L10 can be reduced, improving the energy efficiency of the entire system.
分解ガスから分離された高純度の水素(例えば、95%以上99.999%以下)は、円筒状の水素分離膜3bの水素透過側に接続した水素供給路L2を通して、ガスタービンユニット15の燃焼器17に送出される。また、水素が分離され、窒素と未反応のアンモニア(残存アンモニア)とを含むガス(水素分離処理済みガス)は、触媒充填部4におけるアンモニアの通流方向下流側に接続した処理済みガス通流路L3を通してアンモニア回収部6に送出される。本実施形態において、水素供給路L2には、第1流量計S1が設けられており、計測結果は、適宜制御装置25に送信される。 High-purity hydrogen (e.g., 95% to 99.999%) separated from the cracked gas is sent to the combustor 17 of the gas turbine unit 15 through the hydrogen supply passage L2 connected to the hydrogen permeation side of the cylindrical hydrogen separation membrane 3b. The gas (hydrogen-separated gas) from which hydrogen has been separated and which contains nitrogen and unreacted ammonia (residual ammonia) is sent to the ammonia recovery section 6 through the treated gas flow passage L3 connected to the downstream side of the ammonia flow direction in the catalyst charging section 4. In this embodiment, a first flow meter S1 is provided in the hydrogen supply passage L2, and the measurement results are sent to the control device 25 as appropriate.
尚、上記のように、膜分離部3においては、比較的高圧な条件下においてアンモニアを分解するため、低圧条件下においてアンモニアを分解する場合と比較して、生成する水素や窒素を圧縮空気が供給される燃焼器17に供給するための昇圧に要するエネルギーが抑えられる。 As described above, the membrane separation section 3 decomposes ammonia under relatively high pressure conditions, so the energy required to boost the pressure of the hydrogen and nitrogen produced to supply them to the combustor 17, which is supplied with compressed air, is reduced compared to when ammonia is decomposed under low pressure conditions.
アンモニア回収部6は、窒素と残存アンモニアとを含む水素分離処理済みガスから残存アンモニアを回収するように構成されている。尚、水素分離処理済みガスから残存アンモニアを回収する手法は、既知の手法を用いることができる。 The ammonia recovery section 6 is configured to recover the remaining ammonia from the hydrogen separation treated gas containing nitrogen and the remaining ammonia. The method for recovering the remaining ammonia from the hydrogen separation treated gas can be a known method.
本実施形態のアンモニア回収部6は、水素分離処理済みガス中の残存アンモニアを水に溶解させて吸収する吸収部7や、アンモニアが溶解した水であるアンモニア水を加熱してアンモニア水からアンモニアを分離蒸留する分離部8などから構成されている。このように、本実施形態においては、アンモニア回収部6で処理するガスが、水素分離済みのガスであるため、水素未分離のガスを処理する場合と比較して、アンモニア回収部6の容積が小さく、回収に要するエネルギーが抑えられている。 The ammonia recovery section 6 of this embodiment is composed of an absorption section 7 that dissolves the remaining ammonia in the hydrogen-separated gas in water and absorbs it, and a separation section 8 that heats ammonia water, which is water in which ammonia has been dissolved, to separate and distill the ammonia from the ammonia water. As described above, in this embodiment, the gas treated in the ammonia recovery section 6 is gas from which hydrogen has been separated, so the volume of the ammonia recovery section 6 is smaller than when treating gas from which hydrogen has not been separated, and the energy required for recovery is reduced.
具体的に、本実施形態のアンモニア回収部6においては、処理済みガス通流路L3を通して吸収部7に水素分離処理済みガスが供給され、残存アンモニアを低温の水に溶解させることで、水素分離処理済みガスから残存アンモニアが除去される。残存アンモニアが除去された窒素を主とするガス(例えば、残存アンモニア濃度が0.03mol%程度)は、第1窒素供給路L4(第1窒素通流路)を通して、後述するガスタービンユニット15の燃焼器17及びガスタービン18に送出されたり、後述する第2窒素供給路L5(第2窒素通流路)を通して、水素供給路L2に送出される。尚、残存アンモニア除去後の窒素を主とするガスの温度は、残存アンモニアの回収方式によって変わるが、室温から400℃程度である。また、本実施形態において、水素分離膜3bの種類やアンモニアの供給圧、スイープガスの有無などの種々の条件によっては、膜分離部3で分離されなかった一部の水素が、残存アンモニア除去後の窒素を主とするガスに含まれる可能性がある。 Specifically, in the ammonia recovery section 6 of this embodiment, the hydrogen separation-treated gas is supplied to the absorption section 7 through the treated gas flow passage L3, and the remaining ammonia is dissolved in low-temperature water to remove the remaining ammonia from the hydrogen separation-treated gas. The nitrogen-based gas from which the remaining ammonia has been removed (for example, the remaining ammonia concentration is about 0.03 mol%) is sent through the first nitrogen supply passage L4 (first nitrogen flow passage) to the combustor 17 and gas turbine 18 of the gas turbine unit 15 described later, or sent through the second nitrogen supply passage L5 (second nitrogen flow passage) described later to the hydrogen supply passage L2. The temperature of the nitrogen-based gas after the removal of the remaining ammonia varies depending on the method of recovering the remaining ammonia, but is about room temperature to 400°C. In addition, in this embodiment, depending on various conditions such as the type of hydrogen separation membrane 3b, the supply pressure of ammonia, and the presence or absence of sweep gas, some of the hydrogen that was not separated in the membrane separation section 3 may be included in the nitrogen-based gas after the removal of the remaining ammonia.
一方、残存アンモニアが溶解した水は、分離部8へと送られ、当該分離部8において、排熱回収ボイラーユニット20から第2蒸気供給路L11を通して供給される蒸気によって加熱される。そして、加熱されたアンモニア水から水蒸気を用いてアンモニアが分離蒸留され、アンモニアが回収される。 Meanwhile, the water with the remaining ammonia dissolved therein is sent to the separation section 8, where it is heated by steam supplied from the heat recovery boiler unit 20 through the second steam supply line L11. Then, the ammonia is separated and distilled from the heated ammonia water using water steam, and the ammonia is recovered.
尚、本実施形態において、第1窒素供給路L4には、燃焼器17及びガスタービン18への窒素を主とするガスの供給流量を調整する第1流量調整弁V1が設けられている。また、第2窒素供給路L5には、水素供給路L2への窒素を主とするガスの供給流量を調整する第2流量調整弁V2や、第2流量調整弁V2より窒素を主とするガスの通流方向下流側に第2流量計S2が設けられている。第2流量計S2での計測結果は、適宜制御装置25に送信される。 In this embodiment, the first nitrogen supply passage L4 is provided with a first flow rate control valve V1 that adjusts the supply flow rate of the gas mainly composed of nitrogen to the combustor 17 and the gas turbine 18. The second nitrogen supply passage L5 is provided with a second flow rate control valve V2 that adjusts the supply flow rate of the gas mainly composed of nitrogen to the hydrogen supply passage L2, and a second flow meter S2 downstream of the second flow rate control valve V2 in the flow direction of the gas mainly composed of nitrogen. The measurement results of the second flow meter S2 are appropriately transmitted to the control device 25.
アンモニアリサイクル路L6は、アンモニア回収部6で回収した残存アンモニアを触媒充填部4に供給するように構成されている。具体的に、本実施形態のアンモニアリサイクル路L6は、一端がアンモニア回収部6の分離部8に接続し、他端がアンモニア供給路L1における、アンモニア供給用ポンプ12と触媒充填部4との間に接続している。 The ammonia recycle path L6 is configured to supply the remaining ammonia recovered in the ammonia recovery section 6 to the catalyst charging section 4. Specifically, in this embodiment, one end of the ammonia recycle path L6 is connected to the separation section 8 of the ammonia recovery section 6, and the other end is connected to the ammonia supply path L1 between the ammonia supply pump 12 and the catalyst charging section 4.
アンモニア供給部10は、アンモニアが貯留されたアンモニアタンク11や、アンモニアタンク11と膜分離部3の触媒充填部4とを繋ぐアンモニア供給路L1に介装されたアンモニア供給用ポンプ12、アンモニアを予熱する予熱器などを有している。本実施形態において、アンモニアタンク11には、沸点以下の温度に冷却され、略大気圧の状態でアンモニアが貯蔵されている。このアンモニア供給部10は、アンモニアタンク11内のアンモニアを、昇圧・予熱して、所定の供給圧(大気圧よりも高い圧力、例えば、2~3MPa程度)でアンモニア供給路L1を通して触媒充填部4に供給する。 The ammonia supply unit 10 includes an ammonia tank 11 in which ammonia is stored, an ammonia supply pump 12 installed in an ammonia supply path L1 connecting the ammonia tank 11 and the catalyst-filled unit 4 of the membrane separation unit 3, and a preheater for preheating the ammonia. In this embodiment, the ammonia tank 11 stores ammonia cooled to a temperature below the boiling point and at approximately atmospheric pressure. The ammonia supply unit 10 pressurizes and preheats the ammonia in the ammonia tank 11 and supplies it to the catalyst-filled unit 4 through the ammonia supply path L1 at a predetermined supply pressure (a pressure higher than atmospheric pressure, for example, about 2 to 3 MPa).
ガスタービンユニット15は、コンプレッサ16(圧縮機)と、燃焼器17と、ガスタービン18とを有している。 The gas turbine unit 15 has a compressor 16, a combustor 17, and a gas turbine 18.
コンプレッサ16は、空気を圧縮して圧縮空気を生成する。具体的に、コンプレッサ16は、第1空気供給路L7を通して空気が供給され、この供給された空気を圧縮して圧縮空気を生成して、圧縮空気を燃焼器17へ送出する。 The compressor 16 compresses air to generate compressed air. Specifically, the compressor 16 receives air through the first air supply passage L7, compresses the supplied air to generate compressed air, and sends the compressed air to the combustor 17.
燃焼器17は、膜分離部3で分離された水素が水素供給路L2を通して供給され、供給された水素を圧縮空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する。具体的に、燃焼器17には、一端が膜分離部3の水素透過側に接続した水素供給路L2を通して高純度の水素が供給されるとともに、一端がアンモニア回収部6に接続し、他端が水素供給路L2に接続した第2窒素供給路L5を経由して、水素供給路L2を通して残存アンモニア回収後の窒素を主とするガスが供給される。更に、燃焼器17には、第2空気供給路L8を通してコンプレッサ16から圧縮空気が供給される。そして、燃焼器17は、水素、窒素を主とするガス及び圧縮空気を混合した混合気を燃焼させて、発生した燃焼ガスを燃焼ガス供給路L9を通してガスタービン18に送出する。このように、本実施形態においては、燃焼器17に対して高純度の水素を供給するため、熱効率も向上し、供給される燃料中にアンモニアが残存していない、或いは残存していたとしても極めて少量であるため、NOx排出量も抑えられる。 The combustor 17 is supplied with hydrogen separated in the membrane separation section 3 through the hydrogen supply passage L2, and burns the supplied hydrogen in compressed air to generate combustion gas. Specifically, the combustor 17 is supplied with high-purity hydrogen through the hydrogen supply passage L2, one end of which is connected to the hydrogen permeation side of the membrane separation section 3, and is supplied with gas mainly composed of nitrogen after residual ammonia recovery through the hydrogen supply passage L2 via the second nitrogen supply passage L5, one end of which is connected to the ammonia recovery section 6 and the other end of which is connected to the hydrogen supply passage L2. Furthermore, compressed air is supplied to the combustor 17 from the compressor 16 through the second air supply passage L8. The combustor 17 then burns a mixture of hydrogen, a gas mainly composed of nitrogen, and compressed air, and sends the generated combustion gas to the gas turbine 18 through the combustion gas supply passage L9. In this way, in this embodiment, high-purity hydrogen is supplied to the combustor 17, improving thermal efficiency, and since no ammonia remains in the supplied fuel, or even if it does, it is extremely small, NOx emissions are also suppressed.
ガスタービン18は、燃焼ガスによって駆動する。具体的に、ガスタービン18は、燃焼器17から送出された燃焼ガスにより回転駆動され、回転力がコンプレッサ16及び第1発電機19に伝達される。また、ガスタービン18の回転駆動に供された燃焼ガスは、排ガスとして排熱回収ボイラーユニット20に送出される。 The gas turbine 18 is driven by the combustion gas. Specifically, the gas turbine 18 is rotated and driven by the combustion gas sent out from the combustor 17, and the rotational force is transmitted to the compressor 16 and the first generator 19. In addition, the combustion gas used to rotate the gas turbine 18 is sent out as exhaust gas to the heat recovery boiler unit 20.
尚、本実施形態において、燃焼器17及びガスタービン18には、第1窒素供給路L4を通して冷却用ガスとしての窒素を主とするガスが供給されるように構成されている。このように、本実施形態では、窒素を主とするガスを冷却用ガスとして燃焼器17及びガスタービン18を冷却するため、燃焼器17及びガスタービン18に高価な耐熱材料を使用することなく高温で運転でき、熱効率が向上し、コストも抑えられている。尚、冷却用ガスとしての窒素を主とするガスの温度は、上記のように室温から400℃程度である。また、燃焼器17やガスタービン18の冷却に用いた窒素を主とするガスは、燃焼器17内やガスタービン18内に導入してもよいし、排熱回収ボイラーユニット20に導入して、排熱を回収した後、排気するようにしてもよい。 In this embodiment, the combustor 17 and the gas turbine 18 are configured to be supplied with a gas mainly composed of nitrogen as a cooling gas through the first nitrogen supply passage L4. In this manner, in this embodiment, the combustor 17 and the gas turbine 18 are cooled using a gas mainly composed of nitrogen as a cooling gas, so that the combustor 17 and the gas turbine 18 can be operated at high temperatures without using expensive heat-resistant materials, improving thermal efficiency and reducing costs. The temperature of the gas mainly composed of nitrogen as a cooling gas is from room temperature to about 400°C as described above. The gas mainly composed of nitrogen used to cool the combustor 17 and the gas turbine 18 may be introduced into the combustor 17 and the gas turbine 18, or may be introduced into the heat recovery boiler unit 20 to recover the exhaust heat and then exhausted.
窒素を主とするガスによって燃焼器17を冷却する態様としては、種々の態様が採用し得るが、例えば、燃焼器17の外壁面に沿って窒素を主とするガスが通流する構成とし、外壁面から熱を奪って燃焼器17を冷却する態様を例示できる。また、ガスタービン18を冷却する態様としては、種々の態様を採用し得るが、例えば、タービン翼の内部に窒素を主とするガスを通流する構成として、タービン翼の内部から冷却する態様を例示できる。 Various modes can be used to cool the combustor 17 with a gas mainly made of nitrogen, but an example is a mode in which a gas mainly made of nitrogen flows along the outer wall surface of the combustor 17 and cools the combustor 17 by removing heat from the outer wall surface. Also, various modes can be used to cool the gas turbine 18, but an example is a mode in which a gas mainly made of nitrogen flows inside the turbine blades and cools them from the inside.
排熱回収ボイラーユニット20は、ガスタービンユニット15から排出された排ガスの温熱を利用して水を気化して蒸気を作り出すことで、排ガスのもつ温熱を回収するように構成されている。具体的に、本実施形態において、排熱回収ボイラーユニット20は、ガスタービン18からの排ガスのもつ温熱によって、複数のドラム(図示せず)内の水を加温して気化させて蒸気を作り出す。そして、この蒸気は、第1蒸気供給路L10を通して、アンモニア分解装置2の膜分離部3に送出されるとともに、第2蒸気供給路L11を通して、アンモニア回収部6の分離部8に送出される。更に、作り出された蒸気は、第3蒸気供給路L12を通して、蒸気タービンユニット21の蒸気タービン22に送出される。 The heat recovery boiler unit 20 is configured to recover heat from the exhaust gas by utilizing the heat of the exhaust gas discharged from the gas turbine unit 15 to vaporize water and generate steam. Specifically, in this embodiment, the heat recovery boiler unit 20 heats and vaporizes water in multiple drums (not shown) using the heat of the exhaust gas from the gas turbine 18 to generate steam. This steam is then sent to the membrane separation section 3 of the ammonia decomposition device 2 through the first steam supply line L10, and is also sent to the separation section 8 of the ammonia recovery section 6 through the second steam supply line L11. Furthermore, the generated steam is sent to the steam turbine 22 of the steam turbine unit 21 through the third steam supply line L12.
蒸気タービンユニット21は、蒸気タービン22や復水器などを有している。蒸気タービン22は、排熱回収ボイラーユニット20から送出された蒸気により回転駆動され、その回転力が第2発電機23に伝達される。 The steam turbine unit 21 has a steam turbine 22 and a condenser. The steam turbine 22 is driven to rotate by steam sent from the heat recovery boiler unit 20, and the rotational force is transmitted to the second generator 23.
第1発電機19は、ガスタービン18により駆動されて発電し、第2発電機23は、蒸気タービン22により駆動されて発電する。 The first generator 19 is driven by the gas turbine 18 to generate electricity, and the second generator 23 is driven by the steam turbine 22 to generate electricity.
制御装置25は、上記のように、各部の動作を制御する。本実施形態において、制御装置25は、ガスタービンコンバインドサイクル発電システム1に要求される発電量の変化に応じて(言い換えれば、負荷変動に応じて)、燃焼器17に供給する水素と窒素との混合ガスの混合比を調整するように構成されている。尚、ガスタービンコンバインドサイクル発電システム1に要求される発電量は、例えば、太陽光発電や風力発電などの変動型再生可能エネルギーを利用する発電での発電量によって左右され、変動型再生可能エネルギーを利用する発電での発電量が少ない場合には、ガスタービンコンバインドサイクル発電システム1に要求される発電量が多くなる(つまり、高負荷となる)。ガスタービンコンバインドサイクル発電システム1の負荷に関する情報は、有線又は無線通信を介して、制御装置25が受信してもよいし、施設管理者等が制御装置25に入力してもよい。 The control device 25 controls the operation of each part as described above. In this embodiment, the control device 25 is configured to adjust the mixture ratio of the mixed gas of hydrogen and nitrogen supplied to the combustor 17 in response to changes in the amount of power generation required for the gas turbine combined cycle power generation system 1 (in other words, in response to load fluctuations). The amount of power generation required for the gas turbine combined cycle power generation system 1 depends on the amount of power generation using variable renewable energy such as solar power generation and wind power generation, and when the amount of power generation using variable renewable energy is low, the amount of power generation required for the gas turbine combined cycle power generation system 1 becomes high (i.e., the load becomes high). Information regarding the load of the gas turbine combined cycle power generation system 1 may be received by the control device 25 via wired or wireless communication, or may be input to the control device 25 by a facility manager or the like.
要求される発電量が多い(高負荷)場合には、水素のみを燃料としてガスタービンユニット15に供給し、高い発電効率(熱効率)が得られるようにすることが好ましい。そこで、図2に示すように、本実施形態の制御装置25は、高負荷の場合に、第2窒素供給路L5に設けられた第2流量調整弁V2の動作を制御して閉状態とし、燃焼器17に供給するガスの混合比(水素供給路L2を流通するガス(高純度の水素):第2窒素供給路L5を流通するガス(窒素を主とするガス))を100:0に調整する。これにより、燃焼器17に対して水素供給路L2を流通するガス(高純度の水素)のみが供給される。 When a large amount of power generation is required (high load), it is preferable to supply only hydrogen as fuel to the gas turbine unit 15 to obtain high power generation efficiency (thermal efficiency). Therefore, as shown in FIG. 2, in the case of high load, the control device 25 of this embodiment controls the operation of the second flow control valve V2 provided in the second nitrogen supply passage L5 to close it, and adjusts the mixture ratio of the gas supplied to the combustor 17 (gas flowing through the hydrogen supply passage L2 (high purity hydrogen): gas flowing through the second nitrogen supply passage L5 (gas mainly composed of nitrogen)) to 100:0. As a result, only the gas flowing through the hydrogen supply passage L2 (high purity hydrogen) is supplied to the combustor 17.
一方、負荷がそれほど高くない場合に、高純度の水素のみを燃料として供給すると、供給量が一定以下になって逆火が発生して安定燃焼が得られなくなる虞がある。そこで、負荷の程度に応じて、必要な量の水素が供給され、且つ、燃焼器17へ供給するガスの供給量が逆火が発生しないような供給量となるように、燃焼器17へ供給する水素と窒素との混合比を調整する。具体的に、制御装置25は、負荷が小さいほど、燃焼器17に供給する水素に対する窒素の混合量が増加するように、混合比を調整する。 On the other hand, when the load is not so high, if only high-purity hydrogen is supplied as fuel, there is a risk that the supply amount will fall below a certain level, causing backfire and making it impossible to obtain stable combustion. Therefore, the mixture ratio of hydrogen and nitrogen supplied to the combustor 17 is adjusted so that the required amount of hydrogen is supplied according to the level of load, and the amount of gas supplied to the combustor 17 is an amount that does not cause backfire. Specifically, the control device 25 adjusts the mixture ratio so that the smaller the load, the greater the amount of nitrogen mixed with hydrogen supplied to the combustor 17.
本実施形態において、制御装置25は、第1流量計S1及び第2流量計S2での計測結果を基に、負荷に応じて、混合ガスの混合比が目標とする値となるように、水素供給路L2を通流するガス(高純度の水素)と第2窒素供給路L5を通流して水素供給路L2に供給するガス(窒素を主とするガス)の量とを調整する。つまり、図3に示すように、制御装置25は、負荷の変動に応じて高純度の水素の供給量を調整するため、アンモニア供給用ポンプ12の動作を制御するとともに、第2流量調整弁V2の開度を調整して、水素供給路L2への窒素を主とするガスの供給量を調整し、必要な量の水素が供給され、且つ、混合比が目標とする値となるように各ガスの流量を調整する。これにより、負荷変動に応じた適切な混合比となるように水素と窒素とが混合されるため、高い熱効率を得つつ、負荷が変動しても常に安定した燃焼状態を維持でき、電力の安定供給が可能となる。 In this embodiment, the control device 25 adjusts the amount of gas (high-purity hydrogen) flowing through the hydrogen supply line L2 and the amount of gas (mainly nitrogen gas) flowing through the second nitrogen supply line L5 and supplied to the hydrogen supply line L2 based on the measurement results of the first flow meter S1 and the second flow meter S2 so that the mixture ratio of the mixed gas becomes a target value according to the load. That is, as shown in FIG. 3, the control device 25 controls the operation of the ammonia supply pump 12 to adjust the supply amount of high-purity hydrogen according to the load fluctuation, and adjusts the opening degree of the second flow control valve V2 to adjust the supply amount of gas mainly composed of nitrogen to the hydrogen supply line L2, and adjusts the flow rate of each gas so that the required amount of hydrogen is supplied and the mixture ratio becomes a target value. As a result, hydrogen and nitrogen are mixed to obtain an appropriate mixture ratio according to the load fluctuation, so that a stable combustion state can be maintained at all times even if the load fluctuates while obtaining high thermal efficiency, and a stable supply of power is possible.
尚、上記のように、窒素を主とするガス中に一定量の水素が含まれる場合がある。そこで、必要な量の水素が供給され、且つ、混合比が目標とする値となるように各ガス(高純度の水素及び窒素を主とするガス)の流量を調整する際に、窒素を主とするガス中に残存する水素の量が無視できない程度の量であれば、残存する水素の量を考慮して、各ガスの流量を調整してもよい。一方、残存する水素の量が極めて少ない場合には、残存する水素の量を無視して、各ガスの流量を調整してもよい。尚、残存する水素の量については、例えば、第1窒素供給路L4内を流通するガスの成分を分析することで得られる。 As mentioned above, a certain amount of hydrogen may be contained in the nitrogen-based gas. Therefore, when adjusting the flow rate of each gas (high-purity hydrogen and nitrogen-based gas) so that the required amount of hydrogen is supplied and the mixture ratio becomes the target value, if the amount of hydrogen remaining in the nitrogen-based gas is not negligible, the flow rate of each gas may be adjusted taking into account the amount of remaining hydrogen. On the other hand, if the amount of remaining hydrogen is extremely small, the flow rate of each gas may be adjusted while ignoring the amount of remaining hydrogen. The amount of remaining hydrogen may be obtained, for example, by analyzing the components of the gas flowing through the first nitrogen supply path L4.
また、アンモニア分解装置2においては、水素:窒素が3:1で生成する。そのため、制御装置25は、水素供給路L2を通流するガス(高純度の水素)に対する第2窒素供給路L5を通流するガス(窒素を主とするガス)の混合量が最大3分の1となるように、混合ガスの混合比を調整する。尚、高純度の水素に対する窒素を主とするガスの混合量が増えるほど、燃焼器17及びガスタービン18の冷却に使用可能な窒素を主とするガスの量が減少するが、例えば、高負荷での運転時に発生する窒素を主とするガスの一部をタンク等に貯留し、負荷が低下した際に、タンクに貯留した窒素を主とするガスを、高純度の水素への混合や燃焼器17及びガスタービン18の冷却に用いればよい。 In addition, in the ammonia decomposition device 2, hydrogen:nitrogen is generated at a ratio of 3:1. Therefore, the control device 25 adjusts the mixture ratio of the gas (nitrogen-based gas) flowing through the second nitrogen supply line L5 to the gas (high-purity hydrogen) flowing through the hydrogen supply line L2 so that the mixture amount is a maximum of one-third. Note that the more the mixture amount of nitrogen-based gas to high-purity hydrogen increases, the less the amount of nitrogen-based gas that can be used to cool the combustor 17 and the gas turbine 18 decreases. However, for example, a portion of the nitrogen-based gas generated during high-load operation can be stored in a tank or the like, and when the load decreases, the nitrogen-based gas stored in the tank can be mixed with high-purity hydrogen or used to cool the combustor 17 and the gas turbine 18.
以上の構成を備えたガスタービンコンバインドサイクル発電システム1においては、膜分離部3でアンモニアが水素と窒素とに分解されるとともに、生成した水素が選択的に分離されて、高純度の水素が燃焼器17に供給され、燃焼器17において、燃料として高純度水素と圧縮空気とを混合した混合気が燃焼される。そして、発生した燃焼ガスがガスタービン18に送出されることで、当該ガスタービン18が回転駆動し、その回転力によって第1発電機19が駆動されて発電が行われる。 In the gas turbine combined cycle power generation system 1 having the above configuration, ammonia is decomposed into hydrogen and nitrogen in the membrane separation section 3, and the hydrogen produced is selectively separated to supply high-purity hydrogen to the combustor 17, where a mixture of high-purity hydrogen and compressed air is burned as fuel. The generated combustion gas is then sent to the gas turbine 18, which rotates and drives the gas turbine 18, and the rotational force drives the first generator 19 to generate electricity.
また、このガスタービンコンバインドサイクル発電システム1においては、ガスタービン18の回転駆動に供された燃焼ガスが排ガスとして排熱回収ボイラーユニット20に送出され、排熱回収ボイラーユニット20において排ガスの持つ温熱を利用して蒸気が作り出される。そして、この蒸気が蒸気タービンユニット21に送出されることで、蒸気タービン22が回転駆動し、その回転力によって第2発電機23が駆動されて発電が行われる。 In addition, in this gas turbine combined cycle power generation system 1, the combustion gas used to drive the gas turbine 18 is sent as exhaust gas to the heat recovery boiler unit 20, where the heat contained in the exhaust gas is used to produce steam. This steam is then sent to the steam turbine unit 21, which drives the steam turbine 22, and the rotational force of this drive the second generator 23 to generate electricity.
また、このガスタービンコンバインドサイクル発電システム1では、要求される発電量の変動(負荷変動)に応じて、燃焼器17に供給するガスの量を大きく変動させることなく、必要十分な量の水素が供給されるように、燃焼器17に供給する水素と窒素との混合ガスの混合比が調整される。 In addition, in this gas turbine combined cycle power generation system 1, the mixture ratio of the hydrogen and nitrogen gas mixture supplied to the combustor 17 is adjusted in response to fluctuations in the required amount of power generation (load fluctuations) so that a necessary and sufficient amount of hydrogen is supplied without causing large fluctuations in the amount of gas supplied to the combustor 17.
〔別実施形態〕
〔1〕上記実施形態では、アンモニア回収部6で残存アンモニアが回収された窒素を主とするガスを用いて、燃焼器17及びガスタービン18を冷却する態様としたが、これに限られるものではない。例えば、燃焼器17及びガスタービン18のいずれか一方を窒素を主とするガスで冷却する態様であってもよいし、燃焼器17及びガスタービン18の双方を窒素を主とするガスで冷却しない態様であってもよい。
[Another embodiment]
[1] In the above embodiment, the combustor 17 and the gas turbine 18 are cooled using the gas mainly containing nitrogen from which the remaining ammonia has been recovered in the ammonia recovery section 6, but the present invention is not limited to this. For example, either one of the combustor 17 and the gas turbine 18 may be cooled with a gas mainly containing nitrogen, or neither the combustor 17 nor the gas turbine 18 may be cooled with a gas mainly containing nitrogen.
〔2〕上記実施形態では、燃焼器17に供給する水素に窒素を混合可能な態様としたが、これに限られるものではなく、水素のみを燃焼器17に供給可能な態様であってもよい。 [2] In the above embodiment, nitrogen can be mixed with the hydrogen supplied to the combustor 17, but this is not limited thereto, and it may be possible to supply only hydrogen to the combustor 17.
〔3〕上記実施形態では、負荷変動に応じて、混合ガス中の水素と窒素との混合比を調整する態様としたが、これに限られるものではなく、混合比の調整を行わない態様であってもよい。 [3] In the above embodiment, the mixture ratio of hydrogen and nitrogen in the mixed gas is adjusted in response to load fluctuations, but this is not limited to the above, and the mixture ratio may not be adjusted.
〔4〕上記実施形態では、アンモニア供給部10が大気圧よりも高い供給圧でアンモニアを供給する態様としたが、これに限られるものではなく、触媒充填部4と水素透過側との間で差圧が生じれば、どのような態様であってもよい。
例えば、図4に示すように、水素供給路L2における水素の通流方向下流側から膜分離部3の水素透過側を減圧する真空ポンプ30(減圧手段)を設け、真空ポンプ30によって水素透過側が触媒充填部側よりも低圧となるように当該水素透過側を減圧する態様であってもよい。この場合、水素供給路L2における真空ポンプ30よりも下流側に昇圧器31を設け、燃焼器17に所定の供給圧で水素を供給可能にする。また、この場合、触媒充填部4へのアンモニアの供給圧は、大気圧よりも高くしてもよいし、大気圧以下であってもよい。
また、図5に示すように、膜分離部3の水素透過側に、スイープガス供給路L13を通して空気をスイープガスとして供給するスイープガス供給部35(スイープガス供給手段)を設ける態様であってもよい。この場合であっても、触媒充填部4へのアンモニアの供給圧は、大気圧よりも高くしてもよいし、大気圧以下であってもよい。
[4] In the above embodiment, the ammonia supply unit 10 supplies ammonia at a supply pressure higher than atmospheric pressure. However, the present invention is not limited to this. Any configuration may be used as long as a pressure difference occurs between the catalyst filling unit 4 and the hydrogen permeation side.
For example, as shown in Fig. 4, a vacuum pump 30 (pressure reducing means) for reducing the pressure of the hydrogen permeation side of the membrane separation section 3 may be provided downstream of the hydrogen flow direction in the hydrogen supply passage L2, and the hydrogen permeation side may be reduced in pressure by the vacuum pump 30 so that the pressure on the hydrogen permeation side is lower than that on the catalyst packed section side. In this case, a booster 31 is provided downstream of the vacuum pump 30 in the hydrogen supply passage L2, making it possible to supply hydrogen to the combustor 17 at a predetermined supply pressure. In this case, the supply pressure of ammonia to the catalyst packed section 4 may be higher than atmospheric pressure or may be lower than atmospheric pressure.
5, a sweep gas supply section 35 (sweep gas supply means) for supplying air as a sweep gas through a sweep gas supply passage L13 may be provided on the hydrogen permeation side of the membrane separation section 3. Even in this case, the supply pressure of ammonia to the catalyst packed section 4 may be higher than atmospheric pressure or may be lower than atmospheric pressure.
〔5〕上記実施形態では、ガスタービンシステムがガスタービンコンバインドサイクル発電システムである態様としたが、これに限られるものではなく、発電用のガスタービンシステムや航空機用のガスタービンシステムに、本発明に係るガスタービンシステムを採用してもよい。 [5] In the above embodiment, the gas turbine system is a gas turbine combined cycle power generation system, but this is not limited thereto, and the gas turbine system according to the present invention may be adopted in a gas turbine system for power generation or a gas turbine system for aircraft.
尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 The configurations disclosed in the above embodiment (including other embodiments, the same applies below) can be applied in combination with configurations disclosed in other embodiments, provided no contradictions arise. Furthermore, the embodiments disclosed in this specification are merely examples, and the present invention is not limited to these embodiments. Appropriate modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 :ガスタービンコンバインドサイクル発電システム
2 :アンモニア分解装置
3 :膜分離部
3b :水素分離膜
4 :触媒充填部
6 :アンモニア回収部(回収部)
10 :アンモニア供給部(アンモニア供給手段)
15 :ガスタービンユニット
16 :コンプレッサ(圧縮機)
17 :燃焼器
18 :ガスタービン
20 :排熱回収ボイラーユニット(排熱回収手段)
25 :制御装置(制御部)
30 :真空ポンプ(減圧手段)
35 :スイープガス供給部(スイープガス供給手段)
C :アンモニア分解触媒
L2 :水素供給路
L4 :第1窒素供給路(第1窒素通流路)
L5 :第2窒素供給路(第2窒素通流路)
L6 :アンモニアリサイクル路
1: Gas turbine combined cycle power generation system 2: Ammonia decomposition device 3: Membrane separation section 3b: Hydrogen separation membrane 4: Catalyst filling section 6: Ammonia recovery section (recovery section)
10: Ammonia supply section (ammonia supply means)
15: Gas turbine unit 16: Compressor
17: Combustor 18: Gas turbine 20: Exhaust heat recovery boiler unit (exhaust heat recovery means)
25: Control device (control unit)
30: Vacuum pump (pressure reducing means)
35: Sweep gas supply unit (sweep gas supply means)
C: ammonia decomposition catalyst L2: hydrogen supply channel L4: first nitrogen supply channel (first nitrogen flow channel)
L5: Second nitrogen supply channel (second nitrogen flow channel)
L6: Ammonia recycle path
Claims (7)
前記触媒充填部にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機、前記膜分離部で分離された水素が水素供給路を通して供給され、供給された水素を前記圧縮空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動するガスタービンを有するガスタービンユニットと、
前記ガスタービンユニットで発生した熱を回収して熱媒体を加熱する排熱回収手段と、を備え、
前記排熱回収手段で加熱された熱媒体が前記アンモニア分解装置に供給され、
前記回収部で前記残存アンモニアが回収された窒素を、第1窒素通流路を通して冷却用ガスとして前記燃焼器及び前記ガスタービンに供給するガスタービンシステム。 an ammonia decomposition apparatus including a catalyst packed section filled with an ammonia decomposition catalyst, a membrane separation section including a hydrogen separation membrane capable of separating hydrogen from a decomposition gas generated by ammonia decomposition, a recovery section for recovering the residual ammonia from a hydrogen separation treated gas containing nitrogen and residual ammonia, and an ammonia recycle path for supplying the residual ammonia recovered in the recovery section to the catalyst packed section;
an ammonia supplying means for supplying ammonia to the catalyst packed section;
a gas turbine unit including a compressor that compresses air to generate compressed air, a combustor to which hydrogen separated in the membrane separation unit is supplied through a hydrogen supply passage and which burns the supplied hydrogen in the compressed air to generate combustion gas, and a gas turbine that is driven by the combustion gas;
and an exhaust heat recovery means for recovering heat generated in the gas turbine unit and heating a heat medium,
The heat medium heated by the exhaust heat recovery means is supplied to the ammonia decomposition device ,
the nitrogen from which the remaining ammonia has been recovered in the recovery section is supplied as a cooling gas to the combustor and the gas turbine through a first nitrogen passage .
前記触媒充填部にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機、前記膜分離部で分離された水素が水素供給路を通して供給され、供給された水素を前記圧縮空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動するガスタービンを有するガスタービンユニットと、
前記ガスタービンユニットで発生した熱を回収して熱媒体を加熱する排熱回収手段と、を備え、
前記排熱回収手段で加熱された熱媒体が前記アンモニア分解装置に供給され、
前記回収部で前記残存アンモニアが回収された窒素が通流する第2窒素通流路が、前記水素供給路に接続し、
前記水素と前記窒素との混合ガスを、前記燃焼器に供給可能に構成されているガスタービンシステム。 an ammonia decomposition apparatus including a catalyst packed section filled with an ammonia decomposition catalyst, a membrane separation section including a hydrogen separation membrane capable of separating hydrogen from a decomposition gas generated by ammonia decomposition, a recovery section for recovering the residual ammonia from a hydrogen separation treated gas containing nitrogen and residual ammonia, and an ammonia recycle path for supplying the residual ammonia recovered in the recovery section to the catalyst packed section;
an ammonia supplying means for supplying ammonia to the catalyst packed section;
a gas turbine unit including a compressor that compresses air to generate compressed air, a combustor to which hydrogen separated in the membrane separation unit is supplied through a hydrogen supply passage and which burns the supplied hydrogen in the compressed air to generate combustion gas, and a gas turbine that is driven by the combustion gas;
and an exhaust heat recovery means for recovering heat generated in the gas turbine unit and heating a heat medium,
The heat medium heated by the exhaust heat recovery means is supplied to the ammonia decomposition device,
a second nitrogen flow passage through which the nitrogen from which the residual ammonia has been recovered in the recovery section flows is connected to the hydrogen supply passage;
a gas turbine system configured to be capable of supplying the mixed gas of the hydrogen and the nitrogen to the combustor .
前記水素と前記窒素との混合ガスを、前記燃焼器に供給可能に構成されている請求項1に記載のガスタービンシステム。 a second nitrogen flow passage through which the nitrogen from which the residual ammonia has been recovered in the recovery section flows is connected to the hydrogen supply passage;
2. The gas turbine system according to claim 1 , wherein the mixed gas of the hydrogen and the nitrogen is capable of being supplied to the combustor.
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