JP3998561B2 - ジメチルエーテル改質発電システムとその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原動機からの排熱を用いてジメチルエーテルを水素リッチガスに変換する改質器を具備するジメチルエーテル改質発電システムとその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質発電システムでは、水蒸気改質反応を利用して、炭化水素系燃料から水素リッチなガスを生成する方法が広く利用されている。この方法では、吸熱反応によりタービンやガスエンジンなどの原動機の排気から化学的に熱を回収するため、発電システムの効率を向上させることができる。
炭化水素系燃料として、ジメチルエーテル（(ＣＨ３)2Ｏ）を用いた場合には、次の（１）および（２）式の反応により、ジメチルエーテルは、水素を含むガスに転換される。
【０００３】
(ＣＨ３)2Ｏ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ２ＣＯ＋４Ｈ２−２０５ｋＪ／ｍｏｌ （１）
２ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ ⇔ ２ＣＯ２＋２Ｈ２＋８２ｋＪ／２ｍｏｌ （２）
（１）式の反応は吸熱反応であり、３００℃程度の温度のジメチルエーテルと水蒸気の混合気を触媒反応させることで、ジメチルエーテルと水蒸気は、化学平衡上ＣＯおよびＨ２にほぼ１００％転化する。
【０００４】
また、最近の研究成果では、（１）式の反応は（３）、（４）式のようにメタノールを経由して進行することが開示されている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照。）。
【０００５】
(ＣＨ３)2Ｏ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ２ＣＨ３ＯＨ−２３.６ｋＪ／ｍｏｌ （３）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ＣＯ２＋３Ｈ２−４９.５ｋＪ／ｍｏｌ （４）
（３）、（４）式の反応を生じる速度が、（５）式に代表されるメタン生成反応に比べて小さい場合には、発熱反応となり、排熱回収が不可能となることがある。
(ＣＨ３)2Ｏ ⇔ ＣＨ４＋ＣＯ＋Ｈ２＋１.３ｋＪ／ｍｏｌ （５）
【０００６】
また、通常、ジメチルエーテルの改質反応には、銅および亜鉛系の触媒が用いられ、ほとんどの銅・亜鉛系の触媒は、耐熱温度が３５０℃程度である。一方、タービンやガスエンジンの排気温度は５００〜５５０℃であり、触媒の耐熱温度との間に１５０〜２００℃の差がある。そこで、タービンやガスエンジンの排気の熱を利用して、銅・亜鉛系の触媒を用い、ジメチルエーテルを改質させる改質発電システムでは、改質器の触媒の温度が耐熱温度を超えないように、タービンやガスエンジンからの排気を冷却して、改質器に供給しなければならない。そこで、タービンやガスエンジンの出口から改質器に流入するまでに、排気の熱を改質発電システム系統の外部に放出して、改質器に流入する排気の温度を低下させる方法を採用した発明が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
道木 啓介、外１名、ＤＥＭのスチームリフォーミング−高効率反応器の開発に向けて、第８９回触媒討論会予稿集、２００１、ｐ.４１
【非特許文献２】
武石 薫、外２名、銅系触媒を用いたジメチルエーテルの水蒸気改質、第８９回触媒討論会予稿集、２００１、ｐ.２３６
【特許文献１】
特開平９−１１９３１９号公報 （[００１６]−[００１９]、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のジメチルエーテルを用いた改質発電システムでは、触媒の耐熱温度が原動機からの排気温度に比べ低いため、原動機からの排気を、直接、触媒を備える改質器に供給すると、触媒の活性は著しく損なわれ再生が不可能になるという問題があった。
【０００９】
そこで、この問題を解決するために、原動機からの排気の温度を、触媒が耐熱温度を超えないように低下させて、排気を改質器に供給する場合がある。しかし、この場合には、排気の温度低下に伴う熱量を利用していないため、発電効率の向上を図ることができないという問題があった。
【００１０】
また、ジメチルエーテルは、貯蔵時には液体であるが、燃料供給系の圧力や温度などの条件によっては、気体に相変化し、燃料供給系において気液二相流となるため、ジメチルエーテルの安定供給ができないという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、原動機からの排気の温度を改質器の要求温度まで低下させ、原動機からの排気の熱量を有効利用し、発電効率の向上を図ることができるジメチルエーテル改質発電システムとその運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のジメチルエーテル改質発電システムは、原動機と、前記原動機からの排気の熱により水を蒸発させる蒸発器と、気化されたジメチルエーテルを供給するジメチルエーテル供給部と、前記原動機からの排気の温度を低下させる熱交換器と、前記ジメチルエーテル供給部から供給されたジメチルエーテルと前記蒸発器で発生した蒸気との混合ガスを、前記熱交換器を通過した排気の熱によって改質ガスに転換する改質器と、前記蒸発器で発生した蒸気と飽和水とを分離するセパレータとを具備し、前記熱交換器において、前記セパレータで分離された前記飽和水を前記原動機からの排気の熱によって加熱することを特徴とする。
【００１３】
この発明のジメチルエーテル改質発電システムでは、改質器に導入される原動機からの排気の温度を、熱交換器を介すことで最適な温度にできるので、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができ、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。また、改質器に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図ることができる。さらに、原動機からの排気の熱の一部を、熱交換器におけるセパレータで分離された飽和水の加熱用の熱として利用しているので、発電効率を向上させることができる。
【００１４】
本発明のジメチルエーテル改質発電システムの運転方法は、原動機からの排気の熱により水を蒸発させる蒸発ステップと、前記蒸発ステップで発生した蒸気を、改質用蒸気と飽和水とに分離する分離ステップと、前記分離ステップで分離された飽和水を前記原動機からの排気によってさらに加熱する加熱ステップと、ジメチルエーテルを前記分離ステップで分離された改質用蒸気に混合する混合ステップと、混合ステップで混合された前記ジメチルエーテルと前記改質用蒸気の混合気を、前記加熱ステップで用いた排気によって、２５０以上４００℃以下の温度に保持された改質器を用いて改質ガスに転換する改質ステップとを具備することを特徴とする。
【００１５】
この発明のジメチルエーテル改質発電システムの運転方法では、改質器の温度が、所定の温度範囲に保持されているので、触媒にダメージを与えることなく、改質に最適な温度で、改質ガスへの転換を行うことができる。また、原動機からの排気の熱の一部を、分離ステップで分離された飽和水の加熱用の熱として利用しているので、発電効率を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１の概要を図１を参照して説明する。
【００１７】
図１に示すように、第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１は、蒸発器２、改質器３、熱交換器４および原動機１００から主に構成されている。
【００１８】
蒸発器２は、ガスタービン１０３から排出される排気の熱を、例えば、フィンなどを備える熱交換部を介して蒸発器２に供給された水５に与え、水５を蒸発させるものである。
【００１９】
改質器３は、ガスタービン１０３から排出される排気の熱を、ジメチルエーテル６と蒸発器２で発生した蒸気との混合気の改質を行う部分に、例えば、熱交換部を介して与え、改質反応を行わせるものである。この改質が行われる部分には、例えば、銅・亜鉛系の触媒が設けられている。
【００２０】
熱交換器４は、ガスタービン１０３から排出される排気の熱の一部を冷却媒体に与え、改質器３に供給される排気の温度を適正な温度にするのものである。熱交換器４に用いられる冷却媒体は、例えば水、空気または油などである。
【００２１】
原動機１００は、コンプレッサ１０１、燃焼器１０２、タービン１０３で主に構成されている。コンプレッサ１０１では、大気１０４を圧縮し、燃焼器１０２にその圧縮空気を供給する。燃焼器１０２では、コンプレッサ１０１から供給された圧縮空気と、改質器３で改質された水素リッチガス７とによって燃焼し、燃焼ガスを生成する。燃焼器１０２で生成された高温高圧の燃焼ガスは、タービン１０３に供給され、タービン１０３を回転駆動し、排気される。
【００２２】
次に、第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１の動作について説明する。
【００２３】
図１に示すように、タービン排気８は、熱交換器４、改質器３、蒸発器２の順に熱交換される。その際、タービン排気８は、５００℃級排気８ａ、３００℃級排気８ｂ、２００℃級排気８ｃ、１００℃級排気８ｄと段階的にその温度レベルを変化させる。ここで、５００℃級とは５００℃から６５０℃程度、３００℃級とは３００℃から４５０℃程度、２００℃級とは２００℃から３５０℃程度、１００℃級とは１００℃から２５０℃程度の温度範囲を指す。このように各温度レベルはオーバラップしているが、各温度レベルが逆転したり、温度レベル全体が重複することはない。また、例えば、３００℃が２９９℃になっても本発明の効果が薄れるものではない。
【００２４】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって、蒸気９となる。蒸気９は、改質用蒸気９ａと過熱用蒸気９ｂとに分離される。そして、改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給された改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００２５】
第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、熱交換器４によって放熱されるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００２６】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図ることができる。
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５の概要を図２を参照して説明する。なお、第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１の構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２８】
図２に示すように、第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７および原動機１００から主に構成されている。ここで過熱器１６は、第１の実施の形態の熱交換器４に対応するものである。
【００２９】
過熱器１６は、ガスタービン１０３から排出される排気の熱を利用して、過熱器１６に供給された過熱用蒸気９ｂを加熱し、過熱蒸気１８とするものである。
【００３０】
加圧装置１７は、ジメチルエーテルを加圧して改質器３に供給するもので、例えば、軸流ポンプなどが用いられる。
【００３１】
次に、第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５の動作について説明する。
【００３２】
図２に示すように、タービン排気８は、過熱器１６、改質器３、蒸発器２の順に熱交換される。その際、タービン排気８は、５００℃級排気８ａ、３００℃級排気８ｂ、２００℃級排気８ｃ、１００℃級排気８ｄと段階的にその温度レベルを変化させる。
【００３３】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。
蒸気９は、改質用蒸気９ａと過熱用蒸気９ｂとに分離される。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００３４】
一方、分離された過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【００３５】
第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、過熱用蒸気９ｂの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００３６】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２０の概要を図３を参照して説明する。なお、第１および２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００３８】
図３に示すように、第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７、セパレータ２１および原動機１００から主に構成されている。
セパレータ２１は、蒸発器２から供給される気体と液体を分離するものである。
【００３９】
次に、第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２０の動作について説明する。
【００４０】
図３に示すように、蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。セパレータ２１に、蒸気９または水５が供給されると、そこで改質用蒸気９ａと飽和水９ｃとに分離される。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００４１】
一方、分離された飽和水９ｃは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【００４２】
第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２０によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、飽和水９ｃの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００４３】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００４４】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００４５】
また、セパレータ２１により、水５が蒸発器２で全量蒸発しない場合や、蒸気９ａに与えられる熱量だけでは５００℃級排気８ａが３００℃級排気８ｂにならない場合などに有効な手段であり、改質器の性能を維持して改質発電システムの信頼性を向上させることができる。
【００４６】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２５の概要を図４を参照して説明する。なお、第１乃至３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００４７】
図４に示すように、第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２５は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７、混合ガス予熱器２６および原動機１００から主に構成されている。
混合ガス予熱器２６は、改質用蒸気９ａとジメチルエーテル４との混合気を、タービン排気８を利用して加熱するものである。
【００４８】
次に、第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２５の動作について説明する。
【００４９】
図４に示すように、蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、混合ガス予熱器２６に供給される。混合ガス予熱器２６に供給された混合ガス２７ａは、２００℃級排気８ｃの熱によって加熱され、加熱された混合ガス２７ｂとして改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００５０】
一方、過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【００５１】
第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、過熱用蒸気９ｂの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００５２】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００５３】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、混合ガス予熱器２６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００５４】
また、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６との混合ガス２７ａは、圧力によっては温度が低下して蒸気が凝縮し、突沸などの流動不安定現象が起こりうる。しかし、第４の実施の形態では、混合ガス予熱器２６を改質器３の前段に設置し、加熱された混合ガス２７ｂとして改質器３に導入しているので、流動不安定を抑制することができる。なお、図４では、混合ガス予熱器２６は、改質器３と別体で示されているが、両者は一体構造にすることもできる。
【００５５】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３０の概要を図５を参照して説明する。なお、第１乃至４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００５６】
図５に示すように、第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、液体加圧装置１７ａ、ジメチルエーテル蒸発器３１および原動機１００から主に構成されている。
【００５７】
液体加圧装置１７ａは、液体のジメチルエーテルを加圧して、液体の状態でジメチルエーテル蒸発器３１に供給するもので、例えば、軸流ポンプなどが用いられる。
ジメチルエーテル蒸発器３１は、液体加圧装置１７ａから圧送された液体のジメチルエーテルを、タービン排気８を利用して加熱し、気化するものである。
【００５８】
次に、第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３０の動作について説明する。
【００５９】
図５に示すように、液体のジメチルエーテル４ａは、液体加圧装置１７ａによって液体のまま加圧され、ジメチルエーテル蒸発器３１に供給される。ジメチルエーテル蒸発器３１に供給されたジメチルエーテル４ａは、蒸発器２を通過後の１００℃級排気８ｄの熱によって気化され、気体のジメチルエーテル４ｂとなる。
【００６０】
また、蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。そして、ジメチルエーテル４ｂと改質用蒸気９ａは混合し、触媒を備えた改質器３に供給され、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００６１】
一方、過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【００６２】
第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３０によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、過熱用蒸気９ｂの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００６３】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００６４】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、ジメチルエーテル蒸発器３１の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００６５】
また、ジメチルエーテルは、液体の状態で圧送されるので、気体で圧送する場合に比べて、体積が非常に小さくなるので、加圧装置の所要動力を低減することができ、シ改質発電ステム全体の効率を向上することができる。
【００６６】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５の概要を図６を参照して説明する。なお、第１乃至５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００６７】
図６に示すように、第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５は、蒸発器２、改質器３、加圧装置１７、メタノール転換器３６および原動機１００から主に構成されている。
【００６８】
メタノール転換器３６は、ジメチルエーテル６と改質用蒸気９ａを加水分解によって、メタノール含有ガス３７に転換するものである。このメタノール転換器３６には、例えば、αアルミナを中心としたジメチルエーテルの加水分解促進剤が備えられている。
【００６９】
次に、第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５の動作について説明する。
【００７０】
図６に示すように、蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって改質用蒸気９ａとなる。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、メタノール転換器３６に供給される。メタノール転換器３６に供給された改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６の混合気は、５００℃級排気８ａの熱を利用して、加水分解され、メタノール含有ガス３７に転換される。メタノール含有ガス３７は、改質器３に供給され、（５）式で示されるメタン生成反応を生じることなく、３００℃級排気８ｂの熱によって、（４）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に容易に転換される。そして、水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００７１】
第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、メタノール転換器３６によって、吸熱反応である加水分解の反応熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００７２】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００７３】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、メタノール転換器３６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００７４】
また、メタノール転換器３６でメタノール含有ガス３７にしておくことで、改質器３内における（５）式で示される副反応を抑制することができ、確実に水素リッチガス７を生成して、タービン排気８からの排熱を回収することができる。
【００７５】
また、第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５における他の一例の実施の形態を図７に示す。
【００７６】
図７に示した実施の形態では、第６の実施の形態にさらに過熱器１６が具備されている。この実施の形態において、メタノール転換器３６では、過熱器１６の通過後の３００℃級排気８ｂの熱が用いられている。メタノール転換器３６における加水分解は、３００℃級排気８ｂでも生じ、また、メタノール転換器３６における吸熱量は、改質器３および過熱器１６に比べて小さいので、図７に示すように、３００℃級排気８ｂの温度レベルは、メタノール転換器３６の通過前後で変わらない。一方、過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。この実施の形態においても、タービン排気８からの排熱を有効に利用することができる。
【００７７】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０の概要を図８を参照して説明する。なお、第１乃至６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００７８】
図８に示すように、第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７および原動機１００から主に構成されている。
【００７９】
次に、第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０の動作について説明する。
【００８０】
図８に示すように、蒸発器２に供給された水５は、蒸発器２で２００℃級排気８ｃの熱によって改質用蒸気９ａおよび改質用加熱水９ｄとなり、過熱器１６に供給される。過熱器１６に供給された改質用蒸気９ａおよび改質用加熱水９ｄは、５００℃級排気８ａの熱によって、改質用過熱蒸気１８ａとなる。改質用過熱蒸気１８ａは、ジメチルエーテル６と混合され、改質器３に供給され、水素リッチガス７に転換される。そして、水素リッチガス７は燃焼器１０２に供給される。
【００８１】
第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、改質用蒸気９ａおよび改質用加熱水９ｄの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００８２】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００８３】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００８４】
また、改質用過熱蒸気１８ａの温度が高いため、改質用過熱蒸気１８ａとジメチルエーテル６が混合されても、改質用過熱蒸気１８ａは凝縮することなく、安定して改質器３に供給される。また、改質器３において、所定の温度より供給される蒸気とジメチルエーテル６の混合気の温度が低いときには、その混合気の温度を上げるための予備的な加熱部が必要とされたが、この実施の形態では、混合気の温度が改質器３の入口で所定の温度になるため予備的な加熱部を設ける必要がなくなる。これによって、改質器３がコンパクトになり、水素リッチガス７の圧力損失も低減される。
【００８５】
次に、第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０における他の一例の実施の形態を図９に示す。
【００８６】
この実施の形態では、第７の実施の形態における改質用過熱蒸気１８ａの一部とジメチルエーテル６との混合気に、蒸発器２で生成した蒸気の一部（改質用蒸気９ａ）を供給している。これによって、改質用過熱蒸気１８ａとジメチルエーテル６の混合で生じる改質用過熱蒸気１８ａの凝縮を、第７の実施の形態におけるものよりさらに確実に防止することができる。
【００８７】
また、この実施の形態では、改質用過熱蒸気１８ａの残りの一部を燃焼器１０２に供給しており、蒸発器２で発生した蒸気９をすべて改質器３に供給していないので、改質器３における圧力損失を低減することができる。
【００８８】
（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４５の概要を図１０を参照して説明する。なお、第１乃至７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００８９】
図１０に示すように、第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４５は、蒸発器２、改質器３、加圧装置１７、水素リッチガス加熱器４６および原動機１００から主に構成されている。
水素リッチガス加熱器４６は、改質器３で生成された低温水素リッチガス７ａを、タービン排気８を利用して加熱するものである。
【００９０】
次に、第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４５の動作について説明する。
【００９１】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。
蒸気９と加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた蒸気９とジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、低温水素リッチガス７ａに転換される。転換された低温水素リッチガス７ａは、水素リッチガス加熱器４６において、５００℃級排気８ａの熱によって、加熱され、高温水素リッチガス７ｂとなり、燃焼器１０２に供給される。
【００９２】
第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、水素リッチガス加熱器４６によって、低温水素リッチガス７ａの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。また、水素リッチガス加熱器４６を通過する流量は、蒸気９だけでなく、蒸気９とジメチルエーテル１７とを合わせた流量となるため、５００℃級排気８ａから３００℃級排気８ｂに温度を低下させることが容易である。
【００９３】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００９４】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、水素リッチガス加熱器４６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００９５】
また、この構成にすることで、燃焼器１０２において、高温水素リッチガス７ｂのノズル１系統で済むので構造を簡略化することができる。
【００９６】
（第９の実施の形態）
本発明の第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０の概要を図１１を参照して説明する。なお、第１乃至８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００９７】
図１１に示すように、第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７および原動機１００から主に構成されている。
【００９８】
次に、第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０の動作について説明する。
【００９９】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。
蒸気９は、改質用蒸気９ａと過熱用蒸気９ｂとに分離される。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、５００℃級排気８ａの熱によって過熱器１６で加熱された過熱蒸気１８の熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。過熱蒸気１８は、改質器３において熱を放出した後、燃焼器１０２に供給される。
【０１００】
第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０によれば、改質器３は、過熱蒸気１８の熱を利用して反応し、酸化源となりうるタービン排気８と直接熱交換することはないので信頼性を向上させることができる。
【０１０１】
また、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【０１０２】
次に、第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０における他の一例の実施の形態を図１２に示す。
【０１０３】
図１２に示した実施の形態では、改質器３の内部において、改質器３で生成した水素リッチガスと過熱蒸気１８とを混合している。これによって、改質器３が第９の実施の形態の改質器３に比べて多少大きくなるものの、燃焼器１０２への導入ラインが１系統で済むので構造が簡略化できる。なお、過熱蒸気１８は、改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６の混合気が、改質器３に供給される前に、その混合気と混合されてもよい。
【０１０４】
さらに、第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０における他の一例の実施の形態を図１３に示す。
【０１０５】
図１３に示した実施の形態では、改質器３の熱源として５００℃級排気８ａによって加熱された過熱蒸気１８を用い、その一部を改質用過熱蒸気１８ａとしてジメチルエーテル６と混合している。これによって、ジメチルエーテル６との混合時における蒸気の凝縮による流動不安定を回避することができる。
【０１０６】
（第１０の実施の形態）
本発明の第１０の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの概要を図１４を参照して説明する。
【０１０７】
図１４では、横軸には、ジメチルエーテルを燃料としたシンプルサイクルガスタービンシステムの発電効率が、縦軸には、その排熱で発生可能な蒸気量とジメチルエーテルとのモル比が示されている。また同図には、１５℃の水が１７気圧で蒸発し、ジメチルエーテルが１００％水素と二酸化炭素に改質され、その水素リッチガスが４００℃まで加熱されると仮定し、設定した発電効率における排熱量と回収系の熱量が見合うような蒸気／ジメチルエーテルモル比が示されている。
【０１０８】
図１４から、汎用ガスタービンの下限付近の発電効率である２０％の場合、蒸気／ジメチルエーテルモル比は約１５である。発電効率が２０％を下回るガスタービンにおいては、蒸気／ジメチルエーテルモル比を１５より大きくすることもできるが、実際には、排熱回収の蒸発器における排気の露点やピンチポイント温度差などの問題、タービンの作動流体質量流量などによって制限されるので１５付近が上限となる。一方、蒸気／ジメチルエーテルの当量モル比は、（１）および（２）式の反応によれば３であり、これが下限となる。本発明による蒸気／ジメチルエーテルモル比であれば、ジメチルエーテルを用いた高効率な発電システムを実現することができる。原動機が内燃往復動機関の場合でも、発電効率は３０〜４０％であるのでこの範囲に収まる。
【０１０９】
（第１１の実施の形態）
本発明の第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５５の概要を図１５を参照して説明する。なお、第１乃至９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【０１１０】
図１５に示すように、第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５５は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７、弁５６および原動機１００から主に構成されている。
弁５６は、燃焼器１０２から改質器３に向かう方向の逆流を防ぐための遮断弁である。
【０１１１】
次に、第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５５の動作について説明する。
【０１１２】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。
蒸気９は、改質用蒸気９ａと過熱用蒸気９ｂとに分離される。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２への導入経路の途中に設けられた弁５６を通過し、燃焼器１０２に供給される。万一、水素リッチガス７の供給圧力が、燃焼器１０２内の圧力よりも低くなった場合は、改質器３への酸化源の流入を防止するため、弁５６によって経路が閉鎖される。この弁５６は、燃焼器１０２にできるだけ近い位置に設置されるのが好ましい。
【０１１３】
一方、分離された過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【０１１４】
第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、過熱用蒸気９ｂの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【０１１５】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【０１１６】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【０１１７】
また、燃焼器１０２内の圧力が、水素リッチガス７の供給圧力よりも高くなった場合でも、改質発電システムを安全に停止することができ、改質発電システムの信頼性を向上することができる。
【０１１８】
（第１２の実施の形態）
本発明の第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０の概要を図１６を参照して説明する。なお、第１乃至１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【０１１９】
図１６に示すように、第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７、温度測定部６１および原動機１００から主に構成されている。
【０１２０】
第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０は、第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５（図２）における改質器３または３００℃級排気８ｂの温度を測定する温度測定部６１を付加したものである。
【０１２１】
温度測定部６１は、３００℃級排気８ｂの温度または改質器３の内部の温度を測定し、その測定結果を水５または過熱用蒸気９ｂの流量を制御する制御部（図示しない）に出力するものである。温度測定部６１は、例えば、熱電対などで構成することができるが、これに限るものではない。
【０１２２】
図１６において、温度測定部６１は、３００℃級排気８ｂの温度または改質器３の内部の温度を測定する。その測定結果を、水５または過熱用蒸気９ｂの流量を制御する制御部（図示しない）に出力する。制御部（図示しない）では、その測定結果に基づいて、改質器３内の触媒にダメージを与える温度である４００℃を超えないように水５または過熱用蒸気９ｂの流量を制御する。一方、３００℃級排気８ｂの温度が低く、改質に必要な温度レベルである２５０℃を下回る場合には、水５または過熱用蒸気９ｂの流量を絞って３００℃以上になるように調整する。
【０１２３】
第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０によれば、温度測定部６１による測定結果に基づいて、水５または過熱用蒸気９ｂの流量を調整することができるので、触媒にダメージを与える耐熱温度を超過することもなく、改質に最適な温度レベルを保持することができる。
【０１２４】
また、第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０で示した、改質器３または３００℃級排気８ｂの温度に基づいて水５または過熱用蒸気９ｂの流量を制御する方法は、他の実施の形態でも利用することができる。
【０１２５】
なお、上記第１乃至１２の実施の形態では、原動機としてガスタービンを用いた場合を例を示したが、これに限るものではなく、原動機は内燃往復動機関であってもよい。その場合にも、上記した各実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明のジメチルエーテル改質発電システムとその運転方法によれば、原動機からの排気の温度を改質器の要求温度まで低下させ、原動機からの排気の熱量を有効利用し、発電効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図４】本発明の第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図５】本発明の第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図６】本発明の第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図７】本発明の第６の実施の形態の他の一例の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図８】本発明の第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図９】本発明の第７の実施の形態の他の一例の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１１】本発明の第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１２】本発明の第９の実施の形態の他の一例の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１３】本発明の第９の実施の形態のさらに他の一例の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１４】本発明の第１０の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１５】本発明の第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１６】本発明の第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【符号の説明】
１…ジメチルエーテル改質発電システム、２…蒸発器、３…改質器、４…熱交換器、５…水、６…ジメチルエーテル、７…水素リッチガス、８…タービン排気、８ａ…５００℃級排気、８ｂ…３００℃級排気、８ｃ…２００℃級排気、８ｄ…１００℃級排気、９…蒸気、９ａ…改質用蒸気、９ｂ…過熱用蒸気、１００…原動機、１０１…コンプレッサ、１０２…燃焼器、１０３…ガスタービン
【発明の属する技術分野】
本発明は、原動機からの排熱を用いてジメチルエーテルを水素リッチガスに変換する改質器を具備するジメチルエーテル改質発電システムとその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質発電システムでは、水蒸気改質反応を利用して、炭化水素系燃料から水素リッチなガスを生成する方法が広く利用されている。この方法では、吸熱反応によりタービンやガスエンジンなどの原動機の排気から化学的に熱を回収するため、発電システムの効率を向上させることができる。
炭化水素系燃料として、ジメチルエーテル（(ＣＨ３)2Ｏ）を用いた場合には、次の（１）および（２）式の反応により、ジメチルエーテルは、水素を含むガスに転換される。
【０００３】
(ＣＨ３)2Ｏ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ２ＣＯ＋４Ｈ２−２０５ｋＪ／ｍｏｌ （１）
２ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ ⇔ ２ＣＯ２＋２Ｈ２＋８２ｋＪ／２ｍｏｌ （２）
（１）式の反応は吸熱反応であり、３００℃程度の温度のジメチルエーテルと水蒸気の混合気を触媒反応させることで、ジメチルエーテルと水蒸気は、化学平衡上ＣＯおよびＨ２にほぼ１００％転化する。
【０００４】
また、最近の研究成果では、（１）式の反応は（３）、（４）式のようにメタノールを経由して進行することが開示されている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照。）。
【０００５】
(ＣＨ３)2Ｏ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ２ＣＨ３ＯＨ−２３.６ｋＪ／ｍｏｌ （３）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ＣＯ２＋３Ｈ２−４９.５ｋＪ／ｍｏｌ （４）
（３）、（４）式の反応を生じる速度が、（５）式に代表されるメタン生成反応に比べて小さい場合には、発熱反応となり、排熱回収が不可能となることがある。
(ＣＨ３)2Ｏ ⇔ ＣＨ４＋ＣＯ＋Ｈ２＋１.３ｋＪ／ｍｏｌ （５）
【０００６】
また、通常、ジメチルエーテルの改質反応には、銅および亜鉛系の触媒が用いられ、ほとんどの銅・亜鉛系の触媒は、耐熱温度が３５０℃程度である。一方、タービンやガスエンジンの排気温度は５００〜５５０℃であり、触媒の耐熱温度との間に１５０〜２００℃の差がある。そこで、タービンやガスエンジンの排気の熱を利用して、銅・亜鉛系の触媒を用い、ジメチルエーテルを改質させる改質発電システムでは、改質器の触媒の温度が耐熱温度を超えないように、タービンやガスエンジンからの排気を冷却して、改質器に供給しなければならない。そこで、タービンやガスエンジンの出口から改質器に流入するまでに、排気の熱を改質発電システム系統の外部に放出して、改質器に流入する排気の温度を低下させる方法を採用した発明が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
道木 啓介、外１名、ＤＥＭのスチームリフォーミング−高効率反応器の開発に向けて、第８９回触媒討論会予稿集、２００１、ｐ.４１
【非特許文献２】
武石 薫、外２名、銅系触媒を用いたジメチルエーテルの水蒸気改質、第８９回触媒討論会予稿集、２００１、ｐ.２３６
【特許文献１】
特開平９−１１９３１９号公報 （[００１６]−[００１９]、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のジメチルエーテルを用いた改質発電システムでは、触媒の耐熱温度が原動機からの排気温度に比べ低いため、原動機からの排気を、直接、触媒を備える改質器に供給すると、触媒の活性は著しく損なわれ再生が不可能になるという問題があった。
【０００９】
そこで、この問題を解決するために、原動機からの排気の温度を、触媒が耐熱温度を超えないように低下させて、排気を改質器に供給する場合がある。しかし、この場合には、排気の温度低下に伴う熱量を利用していないため、発電効率の向上を図ることができないという問題があった。
【００１０】
また、ジメチルエーテルは、貯蔵時には液体であるが、燃料供給系の圧力や温度などの条件によっては、気体に相変化し、燃料供給系において気液二相流となるため、ジメチルエーテルの安定供給ができないという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、原動機からの排気の温度を改質器の要求温度まで低下させ、原動機からの排気の熱量を有効利用し、発電効率の向上を図ることができるジメチルエーテル改質発電システムとその運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のジメチルエーテル改質発電システムは、原動機と、前記原動機からの排気の熱により水を蒸発させる蒸発器と、気化されたジメチルエーテルを供給するジメチルエーテル供給部と、前記原動機からの排気の温度を低下させる熱交換器と、前記ジメチルエーテル供給部から供給されたジメチルエーテルと前記蒸発器で発生した蒸気との混合ガスを、前記熱交換器を通過した排気の熱によって改質ガスに転換する改質器と、前記蒸発器で発生した蒸気と飽和水とを分離するセパレータとを具備し、前記熱交換器において、前記セパレータで分離された前記飽和水を前記原動機からの排気の熱によって加熱することを特徴とする。
【００１３】
この発明のジメチルエーテル改質発電システムでは、改質器に導入される原動機からの排気の温度を、熱交換器を介すことで最適な温度にできるので、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができ、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。また、改質器に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図ることができる。さらに、原動機からの排気の熱の一部を、熱交換器におけるセパレータで分離された飽和水の加熱用の熱として利用しているので、発電効率を向上させることができる。
【００１４】
本発明のジメチルエーテル改質発電システムの運転方法は、原動機からの排気の熱により水を蒸発させる蒸発ステップと、前記蒸発ステップで発生した蒸気を、改質用蒸気と飽和水とに分離する分離ステップと、前記分離ステップで分離された飽和水を前記原動機からの排気によってさらに加熱する加熱ステップと、ジメチルエーテルを前記分離ステップで分離された改質用蒸気に混合する混合ステップと、混合ステップで混合された前記ジメチルエーテルと前記改質用蒸気の混合気を、前記加熱ステップで用いた排気によって、２５０以上４００℃以下の温度に保持された改質器を用いて改質ガスに転換する改質ステップとを具備することを特徴とする。
【００１５】
この発明のジメチルエーテル改質発電システムの運転方法では、改質器の温度が、所定の温度範囲に保持されているので、触媒にダメージを与えることなく、改質に最適な温度で、改質ガスへの転換を行うことができる。また、原動機からの排気の熱の一部を、分離ステップで分離された飽和水の加熱用の熱として利用しているので、発電効率を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１の概要を図１を参照して説明する。
【００１７】
図１に示すように、第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１は、蒸発器２、改質器３、熱交換器４および原動機１００から主に構成されている。
【００１８】
蒸発器２は、ガスタービン１０３から排出される排気の熱を、例えば、フィンなどを備える熱交換部を介して蒸発器２に供給された水５に与え、水５を蒸発させるものである。
【００１９】
改質器３は、ガスタービン１０３から排出される排気の熱を、ジメチルエーテル６と蒸発器２で発生した蒸気との混合気の改質を行う部分に、例えば、熱交換部を介して与え、改質反応を行わせるものである。この改質が行われる部分には、例えば、銅・亜鉛系の触媒が設けられている。
【００２０】
熱交換器４は、ガスタービン１０３から排出される排気の熱の一部を冷却媒体に与え、改質器３に供給される排気の温度を適正な温度にするのものである。熱交換器４に用いられる冷却媒体は、例えば水、空気または油などである。
【００２１】
原動機１００は、コンプレッサ１０１、燃焼器１０２、タービン１０３で主に構成されている。コンプレッサ１０１では、大気１０４を圧縮し、燃焼器１０２にその圧縮空気を供給する。燃焼器１０２では、コンプレッサ１０１から供給された圧縮空気と、改質器３で改質された水素リッチガス７とによって燃焼し、燃焼ガスを生成する。燃焼器１０２で生成された高温高圧の燃焼ガスは、タービン１０３に供給され、タービン１０３を回転駆動し、排気される。
【００２２】
次に、第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１の動作について説明する。
【００２３】
図１に示すように、タービン排気８は、熱交換器４、改質器３、蒸発器２の順に熱交換される。その際、タービン排気８は、５００℃級排気８ａ、３００℃級排気８ｂ、２００℃級排気８ｃ、１００℃級排気８ｄと段階的にその温度レベルを変化させる。ここで、５００℃級とは５００℃から６５０℃程度、３００℃級とは３００℃から４５０℃程度、２００℃級とは２００℃から３５０℃程度、１００℃級とは１００℃から２５０℃程度の温度範囲を指す。このように各温度レベルはオーバラップしているが、各温度レベルが逆転したり、温度レベル全体が重複することはない。また、例えば、３００℃が２９９℃になっても本発明の効果が薄れるものではない。
【００２４】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって、蒸気９となる。蒸気９は、改質用蒸気９ａと過熱用蒸気９ｂとに分離される。そして、改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給された改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００２５】
第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、熱交換器４によって放熱されるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００２６】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図ることができる。
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５の概要を図２を参照して説明する。なお、第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１の構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２８】
図２に示すように、第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７および原動機１００から主に構成されている。ここで過熱器１６は、第１の実施の形態の熱交換器４に対応するものである。
【００２９】
過熱器１６は、ガスタービン１０３から排出される排気の熱を利用して、過熱器１６に供給された過熱用蒸気９ｂを加熱し、過熱蒸気１８とするものである。
【００３０】
加圧装置１７は、ジメチルエーテルを加圧して改質器３に供給するもので、例えば、軸流ポンプなどが用いられる。
【００３１】
次に、第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５の動作について説明する。
【００３２】
図２に示すように、タービン排気８は、過熱器１６、改質器３、蒸発器２の順に熱交換される。その際、タービン排気８は、５００℃級排気８ａ、３００℃級排気８ｂ、２００℃級排気８ｃ、１００℃級排気８ｄと段階的にその温度レベルを変化させる。
【００３３】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。
蒸気９は、改質用蒸気９ａと過熱用蒸気９ｂとに分離される。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００３４】
一方、分離された過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【００３５】
第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、過熱用蒸気９ｂの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００３６】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２０の概要を図３を参照して説明する。なお、第１および２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００３８】
図３に示すように、第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７、セパレータ２１および原動機１００から主に構成されている。
セパレータ２１は、蒸発器２から供給される気体と液体を分離するものである。
【００３９】
次に、第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２０の動作について説明する。
【００４０】
図３に示すように、蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。セパレータ２１に、蒸気９または水５が供給されると、そこで改質用蒸気９ａと飽和水９ｃとに分離される。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００４１】
一方、分離された飽和水９ｃは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【００４２】
第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２０によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、飽和水９ｃの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００４３】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００４４】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００４５】
また、セパレータ２１により、水５が蒸発器２で全量蒸発しない場合や、蒸気９ａに与えられる熱量だけでは５００℃級排気８ａが３００℃級排気８ｂにならない場合などに有効な手段であり、改質器の性能を維持して改質発電システムの信頼性を向上させることができる。
【００４６】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２５の概要を図４を参照して説明する。なお、第１乃至３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００４７】
図４に示すように、第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２５は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７、混合ガス予熱器２６および原動機１００から主に構成されている。
混合ガス予熱器２６は、改質用蒸気９ａとジメチルエーテル４との混合気を、タービン排気８を利用して加熱するものである。
【００４８】
次に、第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２５の動作について説明する。
【００４９】
図４に示すように、蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、混合ガス予熱器２６に供給される。混合ガス予熱器２６に供給された混合ガス２７ａは、２００℃級排気８ｃの熱によって加熱され、加熱された混合ガス２７ｂとして改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００５０】
一方、過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【００５１】
第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム２５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、過熱用蒸気９ｂの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００５２】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００５３】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、混合ガス予熱器２６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００５４】
また、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６との混合ガス２７ａは、圧力によっては温度が低下して蒸気が凝縮し、突沸などの流動不安定現象が起こりうる。しかし、第４の実施の形態では、混合ガス予熱器２６を改質器３の前段に設置し、加熱された混合ガス２７ｂとして改質器３に導入しているので、流動不安定を抑制することができる。なお、図４では、混合ガス予熱器２６は、改質器３と別体で示されているが、両者は一体構造にすることもできる。
【００５５】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３０の概要を図５を参照して説明する。なお、第１乃至４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００５６】
図５に示すように、第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、液体加圧装置１７ａ、ジメチルエーテル蒸発器３１および原動機１００から主に構成されている。
【００５７】
液体加圧装置１７ａは、液体のジメチルエーテルを加圧して、液体の状態でジメチルエーテル蒸発器３１に供給するもので、例えば、軸流ポンプなどが用いられる。
ジメチルエーテル蒸発器３１は、液体加圧装置１７ａから圧送された液体のジメチルエーテルを、タービン排気８を利用して加熱し、気化するものである。
【００５８】
次に、第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３０の動作について説明する。
【００５９】
図５に示すように、液体のジメチルエーテル４ａは、液体加圧装置１７ａによって液体のまま加圧され、ジメチルエーテル蒸発器３１に供給される。ジメチルエーテル蒸発器３１に供給されたジメチルエーテル４ａは、蒸発器２を通過後の１００℃級排気８ｄの熱によって気化され、気体のジメチルエーテル４ｂとなる。
【００６０】
また、蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。そして、ジメチルエーテル４ｂと改質用蒸気９ａは混合し、触媒を備えた改質器３に供給され、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００６１】
一方、過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【００６２】
第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３０によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、過熱用蒸気９ｂの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００６３】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００６４】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、ジメチルエーテル蒸発器３１の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００６５】
また、ジメチルエーテルは、液体の状態で圧送されるので、気体で圧送する場合に比べて、体積が非常に小さくなるので、加圧装置の所要動力を低減することができ、シ改質発電ステム全体の効率を向上することができる。
【００６６】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５の概要を図６を参照して説明する。なお、第１乃至５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００６７】
図６に示すように、第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５は、蒸発器２、改質器３、加圧装置１７、メタノール転換器３６および原動機１００から主に構成されている。
【００６８】
メタノール転換器３６は、ジメチルエーテル６と改質用蒸気９ａを加水分解によって、メタノール含有ガス３７に転換するものである。このメタノール転換器３６には、例えば、αアルミナを中心としたジメチルエーテルの加水分解促進剤が備えられている。
【００６９】
次に、第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５の動作について説明する。
【００７０】
図６に示すように、蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって改質用蒸気９ａとなる。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、メタノール転換器３６に供給される。メタノール転換器３６に供給された改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６の混合気は、５００℃級排気８ａの熱を利用して、加水分解され、メタノール含有ガス３７に転換される。メタノール含有ガス３７は、改質器３に供給され、（５）式で示されるメタン生成反応を生じることなく、３００℃級排気８ｂの熱によって、（４）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に容易に転換される。そして、水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。
【００７１】
第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、メタノール転換器３６によって、吸熱反応である加水分解の反応熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００７２】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００７３】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、メタノール転換器３６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００７４】
また、メタノール転換器３６でメタノール含有ガス３７にしておくことで、改質器３内における（５）式で示される副反応を抑制することができ、確実に水素リッチガス７を生成して、タービン排気８からの排熱を回収することができる。
【００７５】
また、第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム３５における他の一例の実施の形態を図７に示す。
【００７６】
図７に示した実施の形態では、第６の実施の形態にさらに過熱器１６が具備されている。この実施の形態において、メタノール転換器３６では、過熱器１６の通過後の３００℃級排気８ｂの熱が用いられている。メタノール転換器３６における加水分解は、３００℃級排気８ｂでも生じ、また、メタノール転換器３６における吸熱量は、改質器３および過熱器１６に比べて小さいので、図７に示すように、３００℃級排気８ｂの温度レベルは、メタノール転換器３６の通過前後で変わらない。一方、過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。この実施の形態においても、タービン排気８からの排熱を有効に利用することができる。
【００７７】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０の概要を図８を参照して説明する。なお、第１乃至６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００７８】
図８に示すように、第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７および原動機１００から主に構成されている。
【００７９】
次に、第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０の動作について説明する。
【００８０】
図８に示すように、蒸発器２に供給された水５は、蒸発器２で２００℃級排気８ｃの熱によって改質用蒸気９ａおよび改質用加熱水９ｄとなり、過熱器１６に供給される。過熱器１６に供給された改質用蒸気９ａおよび改質用加熱水９ｄは、５００℃級排気８ａの熱によって、改質用過熱蒸気１８ａとなる。改質用過熱蒸気１８ａは、ジメチルエーテル６と混合され、改質器３に供給され、水素リッチガス７に転換される。そして、水素リッチガス７は燃焼器１０２に供給される。
【００８１】
第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、改質用蒸気９ａおよび改質用加熱水９ｄの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【００８２】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００８３】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００８４】
また、改質用過熱蒸気１８ａの温度が高いため、改質用過熱蒸気１８ａとジメチルエーテル６が混合されても、改質用過熱蒸気１８ａは凝縮することなく、安定して改質器３に供給される。また、改質器３において、所定の温度より供給される蒸気とジメチルエーテル６の混合気の温度が低いときには、その混合気の温度を上げるための予備的な加熱部が必要とされたが、この実施の形態では、混合気の温度が改質器３の入口で所定の温度になるため予備的な加熱部を設ける必要がなくなる。これによって、改質器３がコンパクトになり、水素リッチガス７の圧力損失も低減される。
【００８５】
次に、第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４０における他の一例の実施の形態を図９に示す。
【００８６】
この実施の形態では、第７の実施の形態における改質用過熱蒸気１８ａの一部とジメチルエーテル６との混合気に、蒸発器２で生成した蒸気の一部（改質用蒸気９ａ）を供給している。これによって、改質用過熱蒸気１８ａとジメチルエーテル６の混合で生じる改質用過熱蒸気１８ａの凝縮を、第７の実施の形態におけるものよりさらに確実に防止することができる。
【００８７】
また、この実施の形態では、改質用過熱蒸気１８ａの残りの一部を燃焼器１０２に供給しており、蒸発器２で発生した蒸気９をすべて改質器３に供給していないので、改質器３における圧力損失を低減することができる。
【００８８】
（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４５の概要を図１０を参照して説明する。なお、第１乃至７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００８９】
図１０に示すように、第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４５は、蒸発器２、改質器３、加圧装置１７、水素リッチガス加熱器４６および原動機１００から主に構成されている。
水素リッチガス加熱器４６は、改質器３で生成された低温水素リッチガス７ａを、タービン排気８を利用して加熱するものである。
【００９０】
次に、第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４５の動作について説明する。
【００９１】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。
蒸気９と加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた蒸気９とジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、低温水素リッチガス７ａに転換される。転換された低温水素リッチガス７ａは、水素リッチガス加熱器４６において、５００℃級排気８ａの熱によって、加熱され、高温水素リッチガス７ｂとなり、燃焼器１０２に供給される。
【００９２】
第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム４５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、水素リッチガス加熱器４６によって、低温水素リッチガス７ａの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。また、水素リッチガス加熱器４６を通過する流量は、蒸気９だけでなく、蒸気９とジメチルエーテル１７とを合わせた流量となるため、５００℃級排気８ａから３００℃級排気８ｂに温度を低下させることが容易である。
【００９３】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【００９４】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、水素リッチガス加熱器４６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【００９５】
また、この構成にすることで、燃焼器１０２において、高温水素リッチガス７ｂのノズル１系統で済むので構造を簡略化することができる。
【００９６】
（第９の実施の形態）
本発明の第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０の概要を図１１を参照して説明する。なお、第１乃至８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００９７】
図１１に示すように、第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７および原動機１００から主に構成されている。
【００９８】
次に、第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０の動作について説明する。
【００９９】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。
蒸気９は、改質用蒸気９ａと過熱用蒸気９ｂとに分離される。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、５００℃級排気８ａの熱によって過熱器１６で加熱された過熱蒸気１８の熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２に供給される。過熱蒸気１８は、改質器３において熱を放出した後、燃焼器１０２に供給される。
【０１００】
第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０によれば、改質器３は、過熱蒸気１８の熱を利用して反応し、酸化源となりうるタービン排気８と直接熱交換することはないので信頼性を向上させることができる。
【０１０１】
また、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【０１０２】
次に、第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０における他の一例の実施の形態を図１２に示す。
【０１０３】
図１２に示した実施の形態では、改質器３の内部において、改質器３で生成した水素リッチガスと過熱蒸気１８とを混合している。これによって、改質器３が第９の実施の形態の改質器３に比べて多少大きくなるものの、燃焼器１０２への導入ラインが１系統で済むので構造が簡略化できる。なお、過熱蒸気１８は、改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６の混合気が、改質器３に供給される前に、その混合気と混合されてもよい。
【０１０４】
さらに、第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５０における他の一例の実施の形態を図１３に示す。
【０１０５】
図１３に示した実施の形態では、改質器３の熱源として５００℃級排気８ａによって加熱された過熱蒸気１８を用い、その一部を改質用過熱蒸気１８ａとしてジメチルエーテル６と混合している。これによって、ジメチルエーテル６との混合時における蒸気の凝縮による流動不安定を回避することができる。
【０１０６】
（第１０の実施の形態）
本発明の第１０の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの概要を図１４を参照して説明する。
【０１０７】
図１４では、横軸には、ジメチルエーテルを燃料としたシンプルサイクルガスタービンシステムの発電効率が、縦軸には、その排熱で発生可能な蒸気量とジメチルエーテルとのモル比が示されている。また同図には、１５℃の水が１７気圧で蒸発し、ジメチルエーテルが１００％水素と二酸化炭素に改質され、その水素リッチガスが４００℃まで加熱されると仮定し、設定した発電効率における排熱量と回収系の熱量が見合うような蒸気／ジメチルエーテルモル比が示されている。
【０１０８】
図１４から、汎用ガスタービンの下限付近の発電効率である２０％の場合、蒸気／ジメチルエーテルモル比は約１５である。発電効率が２０％を下回るガスタービンにおいては、蒸気／ジメチルエーテルモル比を１５より大きくすることもできるが、実際には、排熱回収の蒸発器における排気の露点やピンチポイント温度差などの問題、タービンの作動流体質量流量などによって制限されるので１５付近が上限となる。一方、蒸気／ジメチルエーテルの当量モル比は、（１）および（２）式の反応によれば３であり、これが下限となる。本発明による蒸気／ジメチルエーテルモル比であれば、ジメチルエーテルを用いた高効率な発電システムを実現することができる。原動機が内燃往復動機関の場合でも、発電効率は３０〜４０％であるのでこの範囲に収まる。
【０１０９】
（第１１の実施の形態）
本発明の第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５５の概要を図１５を参照して説明する。なお、第１乃至９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【０１１０】
図１５に示すように、第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５５は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７、弁５６および原動機１００から主に構成されている。
弁５６は、燃焼器１０２から改質器３に向かう方向の逆流を防ぐための遮断弁である。
【０１１１】
次に、第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５５の動作について説明する。
【０１１２】
蒸発器２に供給された水５は、２００℃級排気８ｃの熱によって蒸気９となる。
蒸気９は、改質用蒸気９ａと過熱用蒸気９ｂとに分離される。そして、改質用蒸気９ａと加圧装置１７によって加圧されたジメチルエーテル６は混合され、改質器３に供給される。触媒を備えた改質器３に供給さた改質用蒸気９ａとジメチルエーテル６は、３００℃級排気８ｂの熱によって、（１）、（２）式の化学反応を生じ、水素リッチガス７に転換される。転換された水素リッチガス７は、燃焼器１０２への導入経路の途中に設けられた弁５６を通過し、燃焼器１０２に供給される。万一、水素リッチガス７の供給圧力が、燃焼器１０２内の圧力よりも低くなった場合は、改質器３への酸化源の流入を防止するため、弁５６によって経路が閉鎖される。この弁５６は、燃焼器１０２にできるだけ近い位置に設置されるのが好ましい。
【０１１３】
一方、分離された過熱用蒸気９ｂは、過熱器１６に供給され、５００℃級排気８ａの熱によって加熱され、過熱蒸気１８となり、燃焼器１０２に供給される。
【０１１４】
第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム５５によれば、５００℃級排気８ａの熱の一部が、過熱器１６によって、過熱用蒸気９ｂの加熱に用いられるので、３００℃級排気８ｂを改質器３に供給することができる。これによって、耐熱性の低いジメチルエーテル改質触媒の劣化を防止することができるので、改質発電システムの寿命を延ばすことができる。
【０１１５】
また、ジメチルエーテル改質触媒に最適な温度範囲で改質を行うことができるので、改質発電システムの安定を図り、さらに信頼性を向上することができる。
【０１１６】
さらに、タービン排気８の一部の熱を、蒸発器２、改質器３、過熱器１６の加熱用の熱として利用しているので、発電効率の向上を図ることができる。
【０１１７】
また、燃焼器１０２内の圧力が、水素リッチガス７の供給圧力よりも高くなった場合でも、改質発電システムを安全に停止することができ、改質発電システムの信頼性を向上することができる。
【０１１８】
（第１２の実施の形態）
本発明の第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０の概要を図１６を参照して説明する。なお、第１乃至１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムの構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【０１１９】
図１６に示すように、第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０は、蒸発器２、改質器３、過熱器１６、加圧装置１７、温度測定部６１および原動機１００から主に構成されている。
【０１２０】
第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０は、第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム１５（図２）における改質器３または３００℃級排気８ｂの温度を測定する温度測定部６１を付加したものである。
【０１２１】
温度測定部６１は、３００℃級排気８ｂの温度または改質器３の内部の温度を測定し、その測定結果を水５または過熱用蒸気９ｂの流量を制御する制御部（図示しない）に出力するものである。温度測定部６１は、例えば、熱電対などで構成することができるが、これに限るものではない。
【０１２２】
図１６において、温度測定部６１は、３００℃級排気８ｂの温度または改質器３の内部の温度を測定する。その測定結果を、水５または過熱用蒸気９ｂの流量を制御する制御部（図示しない）に出力する。制御部（図示しない）では、その測定結果に基づいて、改質器３内の触媒にダメージを与える温度である４００℃を超えないように水５または過熱用蒸気９ｂの流量を制御する。一方、３００℃級排気８ｂの温度が低く、改質に必要な温度レベルである２５０℃を下回る場合には、水５または過熱用蒸気９ｂの流量を絞って３００℃以上になるように調整する。
【０１２３】
第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０によれば、温度測定部６１による測定結果に基づいて、水５または過熱用蒸気９ｂの流量を調整することができるので、触媒にダメージを与える耐熱温度を超過することもなく、改質に最適な温度レベルを保持することができる。
【０１２４】
また、第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システム６０で示した、改質器３または３００℃級排気８ｂの温度に基づいて水５または過熱用蒸気９ｂの流量を制御する方法は、他の実施の形態でも利用することができる。
【０１２５】
なお、上記第１乃至１２の実施の形態では、原動機としてガスタービンを用いた場合を例を示したが、これに限るものではなく、原動機は内燃往復動機関であってもよい。その場合にも、上記した各実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明のジメチルエーテル改質発電システムとその運転方法によれば、原動機からの排気の温度を改質器の要求温度まで低下させ、原動機からの排気の熱量を有効利用し、発電効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図４】本発明の第４の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図５】本発明の第５の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図６】本発明の第６の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図７】本発明の第６の実施の形態の他の一例の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図８】本発明の第７の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図９】本発明の第７の実施の形態の他の一例の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１１】本発明の第９の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１２】本発明の第９の実施の形態の他の一例の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１３】本発明の第９の実施の形態のさらに他の一例の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１４】本発明の第１０の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１５】本発明の第１１の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【図１６】本発明の第１２の実施の形態のジメチルエーテル改質発電システムを示す図。
【符号の説明】
１…ジメチルエーテル改質発電システム、２…蒸発器、３…改質器、４…熱交換器、５…水、６…ジメチルエーテル、７…水素リッチガス、８…タービン排気、８ａ…５００℃級排気、８ｂ…３００℃級排気、８ｃ…２００℃級排気、８ｄ…１００℃級排気、９…蒸気、９ａ…改質用蒸気、９ｂ…過熱用蒸気、１００…原動機、１０１…コンプレッサ、１０２…燃焼器、１０３…ガスタービン
Claims (11)
- 原動機と、
前記原動機からの排気の熱により水を蒸発させる蒸発器と、
気化されたジメチルエーテルを供給するジメチルエーテル供給部と、
前記原動機からの排気の温度を低下させる熱交換器と、
前記ジメチルエーテル供給部から供給されたジメチルエーテルと前記蒸発器で発生した蒸気との混合ガスを、前記熱交換器を通過した排気の熱によって改質ガスに転換する改質器と、
前記蒸発器で発生した蒸気と飽和水とを分離するセパレータと
を具備し、
前記熱交換器において、前記セパレータで分離された前記飽和水を前記原動機からの排気の熱によって加熱することを特徴とするジメチルエーテル改質発電システム。 - 前記改質器が、
前記蒸発器で発生し、前記熱交換器で加熱された蒸気と前記ジメチルエーテル供給部から供給されたジメチルエーテルとの混合ガスを、改質ガスに転換することを特徴とする請求項１記載のジメチルエーテル改質発電システム。 - 前記改質器が、
前記熱交換器で加熱された蒸気、前記蒸発器で発生した蒸気と、前記ジメチルエーテル供給部から供給されたジメチルエーテルとの混合ガスを、改質ガスに転換することを特徴とする請求項１記載のジメチルエーテル改質発電システム。 - 前記改質器内の温度または前記改質器に導入される前記排気の温度を測定する温度測定部と、
前記温度測定部の測定結果に基づいて、前記熱交換器から流出する前記排気の温度を制御する温度制御部と
をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のジメチルエーテル改質発電システム。 - 前記改質器に供給される前記混合ガスを、前記原動機からの排気の熱によって加熱する混合ガス加熱器をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のジメチルエーテル改質発電システム。
- 前記ジメチルエーテル供給部が、
ジメチルエーテルを液体で供給する液体ジメチルエーテル供給部と、
前記液体ジメチルエーテル供給部から供給された液体のジメチルエーテルを気化させるジメチルエーテル蒸発器と
を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のジメチルエーテル改質発電システム。 - 前記改質器が、
前記ジメチルエーテル供給部から供給されたジメチルエーテルと前記蒸発器で発生した蒸気との混合ガスの少なくとも一部を、前記原動機からの排気の熱によってメタノールに転換するメタノール転換器と、
前記メタノール転換器で発生したメタノールを含有するガスを、前記メタノール転換器を通過した前記排気の熱によって改質ガスに転換するメタノール改質器と
を具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のジメチルエーテル改質発電システム。 - 前記改質器において転換された前記改質ガスを、前記原動機からの排気の熱によって加熱する改質ガス加熱器をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載のジメチルエーテル改質発電システム。
- 前記改質器内の温度または前記改質器に導入される前記排気の温度を測定する温度測定部と、
前記温度測定部の測定結果に基づいて、前記改質ガス加熱器の温度を制御する温度制御部と
をさらに具備することを特徴とする請求項８記載のジメチルエーテル改質発電システム。 - 前記ジメチルエーテル改質発電システムに供給される、水または蒸気の供給モル流量とジメチルエーテルの供給モル流量の比が、３以上１５以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載のジメチルエーテル改質発電システム。
- 原動機からの排気の熱により水を蒸発させる蒸発ステップと、
前記蒸発ステップで発生した蒸気を、改質用蒸気と飽和水とに分離する分離ステップと、
前記分離ステップで分離された飽和水を前記原動機からの排気によってさらに加熱する加熱ステップと、
ジメチルエーテルを前記分離ステップで分離された改質用蒸気に混合する混合ステップと、
混合ステップで混合された前記ジメチルエーテルと前記改質用蒸気の混合気を、前記加熱ステップで用いた排気によって、２５０以上４００℃以下の温度に保持された改質器を用いて改質ガスに転換する改質ステップと
を具備することを特徴とするジメチルエーテル改質発電システムの運転方法。
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