JP6777441B2 - 発電システム - Google Patents
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Description
以下、特許文献1及び特許文献2にそれぞれ開示された技術について説明するが、参考に各特許文献で使用されている符号を括弧付きで示す。
特許文献1に開示された技術では、乾燥器(12)を使用してバイオマス(11)を乾燥し、このバイオマス(11)を粉砕器(13)により粉砕してガス化炉(14)によりガス化する。ガス化により生成された生成ガス110は、除塵・精製された後、液体燃料合成装置(22)に供給されて液体燃料の合成に使用される。その際に液体燃料から分離された排ガス(24)(オフガス)は未だ発熱量を有していることから、燃焼炉(26)で燃焼させ、その燃焼炉排ガス(27)の一部を前記乾燥器(12)に供給してバイオマス(11)の乾燥の熱源としている。(段落[0023],[0024]及び[0047]並びに図1など参照。)
液体燃料化装置(3)は、FT法(フィッシャー・トロプシュ法)により一酸化炭素と水素とを合成するFT合成部(33)と、FT合成部(33)の合成物から水及び前記余剰ガスを冷却分離して液体燃料となる軽質油(94)を抽出する冷却分離部(35)とを備えて構成される。
特許文献2では、原料(91)の一例としてバイオマスが挙げられ、発電機(4)の一例として燃料電池が挙げられている。
本発明は、水蒸気に加えて他のガス化剤を使用することを排除するものではなく、ガス化剤として、水蒸気だけ使用することは勿論、水蒸気と酸素(酸素富化空気を含む)との両方を使用してもよいし、水蒸気と空気との両方を使用してもよい。この場合、ガス化剤をガス化炉に供給するための搬送経路に、水蒸気供給ラインや、酸素供給ライン(空気供給ライン及び酸素富化空気供給ラインを含む)を接続してもよいし、ガス化炉に、水蒸気供給ラインや酸素供給ラインをそれぞれ直接接続してもよい。或いは、ガス化炉に直接接続された酸素供給ラインに水蒸気供給ラインを接続して、酸素供給ラインから、水蒸気と酸素(空気及び酸素富化空気を含む)とからなるガス化剤を、ガス化炉に供給してもよい。逆に、ガス化炉に直接接続された水蒸気供給ラインに酸素供給ラインを接続して、水蒸気供給ラインから、水蒸気と酸素とからなるガス化剤を、ガス化炉に供給してもよい。
本発明の少なくとも1実施形態による発電システムは、水蒸気と、バイオマスに含まれる炭素とのモル比(H2O/C)が1.5〜4の範囲に入るようにガス化剤を供給することで、ガスシフト反応が活性化され、オフガスのメタンリッチ可を促進することができる。ここで、H2O/Cが4を超えると、ガス化炉内の温度が低下し、ガスシフト反応が低下する。すなわち、燃料の合成に有効な生成ガス量が低下し、固体酸化物形燃料電池での発電に支障をきたす恐れがある。また、H2O/Cが1.5未満の場合、H2の生成量が少なくなることから、燃料の合成に必要な生成ガス量が低下し、合成によって得られる燃料の収率は低下する。
(3)前記モル比(H 2 O/C)を計測する計測手段と、前記水蒸気混入ラインに介装され前記計測手段の計測結果に基づいて制御される開閉弁とをそなえていることが好ましい。
本発明の少なくとも1実施形態による発電システムは、ガス精製装置により、ガス化炉で生成された生成ガスを精製して硫化水素を除去するので、この精製後の生成ガス由来のオフガスには硫化水素は含有されない又は殆ど含有されない。したがって、オフガスを燃料として燃料電池に供給した際、硫化水素により燃料電池の燃料極が被毒されて燃料電池の性能が低下してしまうことを防止することができる。
(6)ガスタービンと、前記ガスタービンにより駆動される発電機とを備え、前記固体酸化物形燃料電池から排出された電池排ガスを前記ガスタービンに燃料として供給する電池排ガスラインを備えることが好ましい。
ここで、バイオマスのガス化の過程で生成するメタンの反応式は下式(1)のとおりである。
CO+3H2→CH4+H2O・・・(1)
また、燃料合成(FT合成)の過程で生成するメタンの反応式は下式(2)のとおりである。
nCO+(2n+1)H2→CnH2n+2+H2O・・・(2)
そして、バイオマス資源から燃料を製造する際に生じるオフガスから電力を取り出すことができるので、オフガスを熱エネルギとして利用するよりも、多様な電動機器の使用に利用できるようになる。
ガス化剤に水蒸気を含めるので、ガスシフト反応が活発に行われて水素が多く生成される。この結果、燃料から分離・除去されるオフガスをメタンリッチなガスとして固体酸化物形燃料電池の燃料に使用することができるので、固体酸化物形燃料電池による高効率な発電を行うことができる。
また、固体酸化物形燃料電池に供給されるオフガスに予め蒸気を混入するので、オフガス中の水蒸気と炭素とのモル比(S/C)を適正にして、固体酸化物形燃料電池の燃料極での炭素の析出を回避することができ、燃料電池の性能の低下を回避できる。
したがって、バイオマス資源から燃料を製造する際に生じるオフガスを効率良く且つ幅広い用途に利用することができる。
以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の各実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の各実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができると共に、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
以下、図1を参照して1実施形態について説明する。
図1は、本発明の少なくとも1実施形態に係る発電システムの構成を示すブロック図である。
図1に示す発電システム1は、バイオマス資源(以下、バイオマスともいう)100から燃料を製造する際に生じるオフガス130を使用して発電を行うものである。具体的には、図1に示すように、本実施形態の発電システム1は、乾燥器2,粉砕器3,ガス化炉4,高温熱交換器5,除塵装置6,低温熱交換器7,ガス精製装置8,昇圧器9,脱炭装置10,液体燃料合成装置(燃料合成装置)11,気液分離器12,固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell、以下「SOFC」という)13及び空気圧縮機13aを備える。
粉砕器3は、この乾燥状態のバイオマス100Aを粉砕して、ガス化に適した粒径のバイオマス100Bとする。粉砕器3の出口は、バイオマス搬送路L3(例えばコンベア,スクリューフィーダ,配管)によりガス化炉4のバイオマス供給部と接続されており、粉砕器3から、ガス化に適した粒径に粉砕されたバイオマス100Bが、バイオマス搬送路L3を介してガス化炉4へと供給される。
ガス化炉4は、バーナ(図示略)によりバイオマス100Bをガス化剤50と共に噴出する噴流床方式のものであり、ガス化剤50として、酸素配管(酸素供給ライン)L53から酸素50Aが供給されると共に、蒸気配管(水蒸気供給ライン)L52から水蒸気50Bが供給される。このため、生成ガス110はメタンリッチなガスとなる。
これは、(1)ガス化剤50に水蒸気50Bが含まれるので、ガス化炉4においてガスシフト反応(CO+H2O→CO2+H2)が活発に行われて生成ガス110に水素が多く含まれる点、(2)ガス化炉4が噴流床方式なので、固定床式や流動層式など他の型式のガス化炉に較べて、炉内流速が速いため炉内に留まる粒子が少なく、粒子が生成ガスから吸熱する熱量が少なくなって炉内の生成ガス110の温度が高くなる点、の2点から、相乗的に、メタン(CH4)が生成されやすい雰囲気になるためである。
なお、炉内の生成ガス110の温度が高くなるが、炉内流速が速いため生成ガス110が炉内に留まる時間は短い。このため、特許文献2に開示された燃料生成システム(100)のようにガス化炉(11)でメタン(CH4)が完全に分解されることはない。
ここで、水蒸気50Bと、バイオマス100Bに含まれる炭素とのモル比(H2O/C)が1.5〜4の範囲に入るようにガス化剤50を供給することが好ましい。これによりガスシフト反応が活性化されることから、後述するように液体燃料合成装置11のオフガス130のメタンリッチ可を促進することができる。
また、前記計測手段により計測されたオフガス130のモル比(S/C)が所定の閾値(例えば2.0〜5.0)よりも低い場合には、開閉弁20は開弁制御される一方、前記計測手段により計測された前記オフガス130のモル比(S/C)が所定の閾値を越える場合には、開閉弁20は閉弁制御される。
ガス化剤として使用される水蒸気50Bは、余剰にあるため、バイパスラインL52′により一部抜き出してもガス化炉4でガス化剤として使用される水蒸気が不足することなく、且つ水蒸気50Bは500℃程度の高温であるため、作動温度の高いSOFC13にも、バイパスラインL52′で加熱することなく供給可能である。
昇圧器9の出口は、ガス搬送路(例えばダクト又は配管)L9により脱炭装置10の入口と接続されており、昇圧器9から、ガス搬送路L9を介して、昇圧器9により昇圧された生成ガス110Bが、脱炭装置10へ供給される。
脱炭装置10は、この昇圧された生成ガス110Bから炭酸成分を除去する。これにより、後段の液体燃料合成装置11による液体燃料合成の効率向上が図られている。
液体燃料合成装置11は、フィッシャー・トロプシュ(FT)法を使用して炭化水素燃料120を合成する。つまり、炭酸成分を除去された生成ガス110C中の一酸化炭素と水素とから触媒反応を用いて炭化水素燃料120を合成する。ここで、FT法により、炭化水素燃料120として、複数種類の炭化水素ガス(CnH2n、nは1以上100以下)が混合状態に合成され、ガソリン、軽油、灯油、ジェット燃料、及びワックス等を得ることができる。
気液分離器12は、液体燃料合成装置11により合成された炭化水素燃料120を冷却分離して、副生成物(メタンなどの軽質の炭化水素ガス)であるオフガス130と、オフガス130を除去された完成した液体燃料である炭化水素燃料120A(そこで、以下、液体燃料120Aともいう)とに分留する。
気液分離器12のオフガス出口は、ガス搬送路(例えばダクト又は配管)L13によりSOFC13のオフガス入口と接続されており、気液分離器12により分離されたオフガス130は、ガス搬送路L13を介して、燃料ガスとしてSOFC13の燃料極へと供給される。
また、気液分離器12の炭化水素燃料出口は、配管L12により図示しない回収設備の入口と接続されており、炭化水素燃料120Aは、配管L12を介して前記回収設備に回収される。
ここで、上述したように、ガス化炉4で生成された生成ガス110はメタンリッチなガスである。下表1は、ガス化炉4の出口の生成ガス110、脱炭酸装置10の出口の生成ガス110C、気液分離機12の出口のオフガス130における代表ガス(N2,H2Oを除いたガス、すなわちCO,H2,CO2,CH4)のモル比を示し、生成ガス110は、ガス精製装置8,脱炭酸装置10,液体燃料合成装置11,気液分離機12等により各種成分が分離・除去されてオフガス130となってもメタン(CH4)は殆ど除去されることはない。そこで、このメタンリッチなオフガス130をSOFC13の燃料として有効利用している。
或いは、乾燥器2に間接加熱用のジャケットを具備し、配管L14の出口をこのジャケットに接続して、ジャケットに供給されたオフガス130Aにより乾燥室内のバイオマス100を間接加熱するようにしてもよい。
本発明の1実施形態(第1実施形態)としての発電システム1によれば、液体燃料合成装置11により合成された炭化水素燃料120から分離されたオフガス130を燃料として、高効率なSOFC13により発電を行える(SOFC13により高効率の発電を行なえる)。
また、水蒸気50Bをガス化剤50の一部として使用することで、この水蒸気50Bによりガスシフト反応を活性化できると共に、ガス化炉4を噴流床方式とすることで、他の型式のガス化炉に較べて生成ガス110の温度を高くすることができる。特に、ガス化剤に水蒸気を含めるので水素と一酸化炭素の比を2:1とすることができ、燃料合成に最適な生成ガス性状が得られるため燃料合成過程で効率的に直鎖系炭化水素が生成される結果、ジェット燃料には適さないメタンも多く生成されるので、固体酸化物形燃料電池に適した、よりメタンリッチなオフガスを供給することができる。ここで、メタンは、バイオマスのガス化の過程で生成するものと、燃料の合成で生成する過程がある。メタンの発生量はガス化炉で発生する量を1とした場合、燃料合成によって発生する量は1.2〜1.5となる。
ここで、バイオマスのガス化の過程で生成するメタンの反応式は下式(1)のとおりである。
CO+3H2→CH4+H2O・・・(1)
また、燃料合成(FT合成)の過程で生成するメタンの反応式は下式(2)のとおりである。
nCO+(2n+1)H2→CnH2n+2+H2O・・・(2)
このように、オフガス130をメタンリッチなガスとすることができ、このオフガス130をSOFC13の燃料に使用することでSOFC13での発電端効率を向上することができる。
したがって、液体燃料120Aを製造する際に生じるオフガス130を効率良く且つ幅広い用途に利用することができる。
また、バイオマス資源100の水分を除去することで、ガス化炉4でのガス化制御(部分燃焼の制御)を容易にすることができる。つまり、通常、バイオマス資源100は高水分であり、そのままガス化炉4へ搬送すると搬送過程で付着や閉塞といった問題を生じるが、バイオマス資源100を乾燥し水分を除去することでハンドリングが容易となり、ガス化制御(部分燃焼の制御)も容易となる。
そして、SOFC13から排出されたオフガス130Aを、バイオマス100の乾燥の熱源として利用することで、オフガス130の一層の有効利用を図ることができる。
以下、図2を参照して他の1実施形態(第2実施形態)について説明する。なお、上記第1実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
上記一実施形態としての第1実施形態では、SOFC13から排出されたオフガス130A及び空気140Aを乾燥器2に供給した。これに対し、本実施形態の発電システム1Aは、さらにガスタービン14及び発電機15を備え、SOFC13から排出されたオフガス130A及び空気140Aをガスタービン14の燃料及び燃焼用空気と使用している。
以下、発電システム1Aについて具体的に説明する。ガスタービン14及びガスタービン14の回転軸14aと接続された発電機15は、発電機であるSOFC13と組み合わされて複合発電システムを構成する。
また、ガスタービン14の燃焼器14bのオフガス入口(燃料入口)は、配管L14によりSOFC13のオフガス排出口と接続される。また、燃焼器14bの空気入口は配管L16によりSOFC13の空気排出口と接続されている。これにより、SOFC13から燃焼器14bに、配管L14を介してオフガス130Aが、配管L16を介して空気140Aがそれぞれ供給される。
ガスタービン14を回転駆動した後、ガスタービン14から排出されたタービン排ガス150は、ガスタービン14のタービン最終翼よりも排ガス下流側の排ガス出口に接続された排ガス経路(タービン排ガスライン)L17(例えばダクト又は配管)を介して、必要に応じて排ガス経路L17に介装された浄化処理装置により浄化処理され、大気へと放出される。
その他の構成は、第1実施形態と同様なので説明を省略する。
本実施形態によれば、第1実施形態と同様の作用・効果が得られる他、以下のような作用・効果が得られる。
つまり、SOFC13から排出された高温のオフガス130Aと高温の空気140Aとを有効利用して、SOFC13とガスタービン14とを使用したコンバインドサイクル方式による発電(複合発電)を行うので、SOFC13だけを使用して発電を行うよりも発電効率をさらに向上することができる。
特に、オフガス130Aは、SOFC13内の発熱反応で昇温されるため、ガスタービン14の燃料として使用することで、ガスタービン14の燃焼効率を向上させることができる。したがって、ガスタービン14による発電効率を向上させることができる。
オフガス130をガスエンジンの燃料として使用した場合の発電効率は40%程度であるのに対し、オフガス130を燃料としたSOFC13による発電及びガスタービン14による発電を組み合わせた複合発電とすることにより発電効率を50%程度まで向上することができる。
[3−1.構成]
以下、図3を参照して他の1実施形態(第3実施形態)について説明する。なお、上記第1実施形態及び上記第2実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
ガスタービン14を回転駆動した後にガスタービン14から排出されたタービン排ガス150は250℃程度と比較的高温になる。そこで、本実施形態の発電システム1Bは、このタービン排ガス150を乾燥器2に供給して、バイオマス100を乾燥するための熱源としている。具体的には、前記の排ガス経路L17の出口を乾燥器2の乾燥室内に連通接続して、ガスタービン14から排出されたタービン排ガス150を、排ガス経路L17を介して乾燥室内に供給し、このタービン排ガス150により直接バイオマス100を乾燥する。
或いは、乾燥器2に間接加熱用のジャケットを具備し、排ガス経路L17の出口をこのジャケットに接続して、ジャケットに供給されたタービン排ガスにより乾燥室内のバイオマス100を間接加熱するようにしてもよい。
なお、ガスタービン14から排出されたタービン排ガス150に加えて、第1実施形態のように、SOFC13から排出されたオフガス130Aを乾燥器2の乾燥熱源としてもよい。具体的には、ガス搬送路L14に分岐搬送路(例えばダクト又は配管)を設け、この分岐経路を乾燥器2の乾燥室内又はジャケットに接続すればよい。
その他の構成は、第2実施形態と同様なので説明を省略する。
本実施形態によれば、第2実施形態と同様の作用・効果が得られる他、以下のような作用・効果が得られる。
つまり、ガス化炉4に供給する前に、水分を多く含むバイオマス資源100を乾燥器2により乾燥させることで、第1実施形態において、バイオマス資源100を乾燥器2により乾燥させたことによる効果と同様の効果が得られる。
つまり、ガス化炉4への搬送が容易になるとともに、水分の潜熱により熱量が奪われてしまうことを抑制してガス化炉4での熱効率の低下を抑制できる。
また、通常、バイオマス資源100は高水分であり、そのままガス化炉4へ搬送すると搬送過程で付着や閉塞といった問題を生じるが、バイオマス資源100を乾燥し水分を除去することでハンドリングが容易となり、ガス化制御(部分燃焼の制御)も容易となる。
このように、オフガス130由来の排ガスであってガスタービン14から排出されたタービン排ガス150を、バイオマス100の乾燥の熱源として利用することで、オフガス130の一層の有効利用を図ることができる。
(1)上記実施形態では、ガス化剤に、酸素50A及び水蒸気50Bを使用したが、ガス化剤は、少なくとも水蒸気を含むものであれば、これに限定されない。例えば、ガス化剤として、水蒸気だけ使用してもよいし、水蒸気と酸素との両方を使用してもよいし、水蒸気と空気(酸素富化空気を含む)との両方を使用してもよい。
2 乾燥器
4 ガス化炉
11 液体燃料合成装置(燃料合成装置)
12 気液分離器
13 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
13a 空気圧縮機
14 ガスタービン
15 発電機
50 ガス化剤
50A 酸素
50B 水蒸気
100,100A,100B バイオマス資源(バイオマス)
110,110A,110B,110C 生成ガス
120 炭化水素燃料
120A 液体燃料
130 オフガス
130A オフガス(電池排ガス)
140,140A 空気
150 タービン排ガス
L14 配管(電池排ガスライン)
L17 排ガス経路(タービン排ガスライン)
L52 蒸気配管(水蒸気供給ライン)
L52′ バイパスライン(水蒸気混入ライン)
L53 酸素配管
Claims (8)
- バイオマス資源を供給するバイオマス搬送路と、
水蒸気を供給する水蒸気供給ラインと、
前記バイオマス搬送路から前記バイオマス資源が供給されると共に、ガス化剤として少なくとも前記水蒸気供給ラインから前記水蒸気が供給され、前記バイオマス資源をガス化して生成ガスを生成するガス化炉と、
前記生成ガスを使用して燃料の合成を行う燃料合成装置と、
前記燃料から分離されたオフガスを供給するオフガスラインと、
前記オフガスラインから前記オフガスが供給され、前記オフガスを使用して発電を行う固体酸化物形燃料電池と、
前記水蒸気供給ラインから分岐すると共に、前記オフガスライン又は前記固体酸化物形燃料電池に接続して、前記水蒸気供給ラインの前記水蒸気の一部を前記オフガスに混入する水蒸気混入ラインとを備え、
前記水蒸気と、前記バイオマス資源に含まれる炭素とのモル比(H 2 O/C)が、水素H 2 の生成量が少なくなることを抑える観点から設定された下限値と、前記ガス化炉内の温度低下を抑える観点から設定された上限値とで規定される範囲に入るように、前記ガス化剤を供給する
ことを特徴とする、発電システム。 - 前記モル比(H2O/C)が1.5〜4の範囲に入るように前記ガス化剤を供給する
ことを特徴とする、請求項1に記載の発電システム。 - 前記モル比(H 2 O/C)を計測する計測手段と、前記水蒸気混入ラインに介装され前記計測手段の計測結果に基づいて制御される開閉弁とをそなえている
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の発電システム。 - 前記ガス化炉により生成された生成ガスを精製するガス精製装置を備え、
前記燃料合成装置は、前記ガス精製装置により精製された生成ガスを使用して燃料の合成を行うことを特徴とする、請求項1〜3の何れか一項に記載の発電システム。 - 前記ガス化炉に供給する前に前記バイオマス資源を乾燥させる乾燥器を備え、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された電池排ガスを前記乾燥器に供給する電池排ガスラインを備えた
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の発電システム。 - ガスタービンと、
前記ガスタービンにより駆動される発電機とを備え、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された電池排ガスを前記ガスタービンに燃料として供給する電池排ガスラインを備えた
ことを特徴とする、請求項1〜5の何れか一項に記載の発電システム。 - 前記ガス化炉に供給する前に前記バイオマス資源を乾燥させる乾燥器を備え、
前記ガスタービンから排出されたタービン排ガスを前記乾燥器に供給するタービン排ガスラインを備えた
ことを特徴とする、請求項6に記載の発電システム。 - 前記ガス化炉が、噴流床方式のガス化炉である
ことを特徴とする、請求項1〜7の何れか一項に記載の発電システム。
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