JP6819323B2 - 熱サイクル設備 - Google Patents

Description

本発明は、熱サイクル設備に関する。

下記特許文献１には、アンモニアを燃料として燃焼させる燃焼装置及びガスタービンが開示されている。この燃焼装置及びガスタービンは、タービンから排出された燃焼排ガスの熱（余熱）を用いて液体アンモニアを気化させて燃焼器に供給することによって、液体アンモニアを燃焼器で単純に燃焼させた場合よりも燃焼効率の低下を抑制しつつ窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させる。

特開２０１５−１９０４６６号公報

ところで、背景技術のようにタービンから排出された燃焼排ガス（燃焼ガス）と液体アンモニアとを熱交換させることによって液体アンモニアを気化させる手法では、燃焼ガスの温度と液体アンモニアの沸点との差が大きいので、エネルギ利用効率の観点で改善の余地がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、燃焼ガスよりも低い温度の熱媒を用いて液体アンモニアを気化させてシステムの熱効率の改善を図ることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、熱サイクル設備に係る第１の解決手段として、燃料を燃焼させることにより、所定の第１液体熱媒を気化させる第１気化装置と、該第１気化装置で得られた第１気体熱媒を駆動流体として動力を発生する動力発生装置と、該動力発生装置から排出された第１気体熱媒を第２液体熱媒と熱交換させることにより凝縮させる凝縮装置と、該凝縮装置で得られた液体熱媒を加圧し、前記第１液体熱媒として前記第１気化装置に供給する循環装置と、前記第２液体熱媒を液体アンモニアと熱交換させることにより気体アンモニアを生成する第２気化装置と、該第２気化装置に前記液体アンモニアを供給する供給装置とを備える、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル設備に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第２気化装置は、所定の伝熱体を介して前記第２液体熱媒と前記液体アンモニアとを熱交換させる、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル設備に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記伝熱体は鋼材から形成されている、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル設備に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記第２気化装置で生成された前記気体アンモニアを駆動流体として動力を発生する第２動力発生装置を備える、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル設備に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記第２動力発生装置から排出された前記液体アンモニアを前記第２液体熱媒と熱交換させて再加熱する再加熱装置を備える、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル設備に係る第６の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記第２気化装置で生成された前記気体アンモニアを前記第１気化装置の排ガスと熱交換して過熱する過熱装置をさらに備える、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル設備に係る第７の解決手段として、上記第１〜第６のいずれかの解決手段において、前記第１気化装置は、前記第２気化装置で生成した前記気体アンモニアを前記燃料として燃焼させる、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル設備に係る第８の解決手段として、上記第１〜第７のいずれかの解決手段において、前記第２気化装置で生成した前記気体アンモニアを還元剤として用いることにより前記第１気化装置で発生した燃焼ガスを脱硝処理する脱硝装置をさらに備える、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル設備に係る第９の解決手段として、上記第１〜第８のいずれかの解決手段において、第１液体熱媒は、水であり、前記第１気化装置は、前記水を気化させて水蒸気を発生するボイラであり、前記動力発生装置は、上記水蒸気を駆動流体とするタービンであり、前記第２液体熱媒は、水あるいは海水である、という手段を採用する。

本発明によれば、第２液体熱媒より系外に排出されるエネルギを液体アンモニアにより回収するので、システムの熱効率の改善を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱サイクル設備の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る熱サイクル設備の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る熱サイクル設備の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の第１変形例に係る熱サイクル設備の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の第２変形例に係る熱サイクル設備の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

〔第１実施形態〕
最初に、本発明の第１実施形態について説明する。第１実施形態に係る熱サイクル設備Ａは、図１に示すように燃料タンク１、ポンプ２、気化器３、ボイラ４、タービン５、復水器６及びポンプ７を備えている。このような各構成要素のうち、ボイラ４、タービン５、復水器６及びポンプ７は、水配管あるいは蒸気配管によって環状に相互接続されており、ランキンサイクル（熱サイクル）を構成している。

なお、これら複数の構成要素のうち、ポンプ２は、本発明の供給装置に相当する。また、気化器３は、本発明の第２気化装置に相当する。ボイラ４は、本発明の第１気化装置に相当する。タービン５は、本発明の動力発生装置に相当する。復水器６は、本発明の凝縮装置に相当する。さらに、ポンプ７は、本発明の循環装置に相当する。

燃料タンク１は、内部に液体アンモニアを燃料として貯留する。ポンプ２は、所定の燃料配管を介して燃料タンク１に接続されており、燃料タンク１から液体アンモニアを汲み出して気化器３に供給する。

気化器３は、所定の燃料配管を介してポンプ２と接続されており、復水器６から別途供給される温海水を用いて液体アンモニアを蒸発（気化）させて気体アンモニアを生成する。すなわち、この気化器３は、熱交換器の一種であり、第２液体熱媒である温海水を液体アンモニアと熱交換させることにより気体アンモニアを生成する。このような気化器３は、所定の燃料配管を介してボイラ４と接続されており、気体アンモニアを燃料としてボイラ４に供給する。また、この気化器３は、液体アンモニアとの熱交換後の温海水を外部に排水する。

ボイラ４は、水配管を介してポンプ７に接続されており、気化器３から供給された気体アンモニアを燃料として燃焼させることにより、ポンプ７から供給された水（第１液体熱媒）を気化させる。すなわち、このボイラ４は、外気から取り込んだ燃焼用空気を酸化剤として用いて気体アンモニアを燃焼させることにより燃焼ガスを発生させ、当該燃焼ガスが有する熱エネルギによって水（第１液体熱媒）を蒸発させて水蒸気（第１気体熱媒）を発生させる。このようなボイラ４は、蒸気配管を介してタービン５に接続されており、上記水蒸気をタービン５に出力する。

タービン５は、蒸気タービンであり、上記ボイラ４から入力された水蒸気（第１気体熱媒）を駆動流体として用いることにより回転動力を発生する。このようなタービン５は、蒸気配管を介して復水器６に接続されており、動力回収した後の水蒸気を復水器６に排出する。

復水器６は、図示しない海水ポンプによって所定流量の海水が供給されるようになっており、この海水を用いることによりタービン５から受け入れた水蒸気（第１気体熱媒）を凝縮させる。すなわち、この復水器６は、タービン５から受け入れた水蒸気（第１気体熱媒）を別途受け入れた海水（第２液体熱媒）と熱交換させて冷却することにより水（第１液体熱媒）に復元（復水）させる。

このような復水器６は、水配管を介してポンプ７に接続されており、水（第１液体熱媒）をポンプ７に供給する。また、この復水器６は、水蒸気（第１気体熱媒）との熱交換によって加温された海水（温海水）を気化器３に供給する。

ポンプ７は、水（第１液体熱媒）を加圧してボイラ４に供給する。すなわち、ポンプ７は、ボイラ４、タービン５、復水器６及びポンプ７並びに複数の水配管及び蒸気配管からなる循環経路において、水（第１液体熱媒）及び水蒸気（第１気体熱媒）を矢印の向きに循環させるための動力源である。

なお、図示していないが、上記タービン５は、自らの回転動力によって発電機を回転駆動する。すなわち、第１実施形態に係る熱サイクル設備Ａは、ランキンサイクル（熱サイクル）を用いて最終的な成果物として電力を得るものである。

次に、第１実施形態に係る熱サイクル設備Ａの動作について詳しく説明する。
この熱サイクル設備Ａでは、ポンプ２及び気化器３が作動することによって燃料タンク１から汲み出された液体アンモニアが気体アンモニアに相変換されてボイラ４に供給される。また、これとは別に、ポンプ７が作動することによってボイラ４に水が供給される。そして、ボイラ４は、気化器３から供給される気体アンモニアを燃料として燃焼させることにより、ポンプ７から別途供給される水を気化させて水蒸気を生成する。

そして、タービン５は、ボイラ４から供給される水蒸気を駆動流体として用いることにより回転動力を発生させる。例えば、このタービン５に発電機が軸結合していた場合、タービン５の回転動力は、発電機の駆動に用いられ、電力に変換される。そして、タービン５から排出された水蒸気は、復水器６における海水との熱交換によって凝縮して水となり、ポンプ７に供給される。

この熱サイクル設備Ａでは、水が液相と気相との相転移を繰り返すことにより回転動力を発生させる。また、この熱サイクル設備Ａでは、外部に廃棄される海水の熱を液体アンモニアを気化並びに昇温させるためのエネルギとして回収する。したがって、この熱サイクル設備Ａによれば、システムの熱効率の改善を図ることができる。

ここで、図２は、第１実施形態の変形例に係る熱サイクル設備Ｂを示している。この熱サイクル設備Ｂは、上述した気化器３（第２気化装置）をアンモニア伝熱部３Ａ、海水伝熱部３Ｂ及び伝熱プレート３Ｃによって構成したものである。

アンモニア伝熱部３Ａは、アンモニア（液体アンモニア及び気体アンモニア）が流通する伝熱性流路であり、海水伝熱部３Ｂは海水が流通する伝熱性流路である。また、伝熱プレート３Ｃは、アンモニア伝熱部３Ａと海水伝熱部３Ｂとを熱結合させる部材（板材）であり、アンモニア伝熱部３Ａと海水伝熱部３Ｂとを熱伝導自在に接続する。なお、この伝熱プレート３Ｃは、本発明の伝熱体に相当するものである。

アンモニア（液体アンモニア及び気体アンモニア）と海水（第２液体熱媒）とでは材料に対する腐食性が異なる。例えば鋼材はアンモニアに対して十分な耐食性を有するが、海水に対する耐食性に劣る。したがって、アンモニアの流路は鋼材によって構成し得るが、海水の通路は鋼材以外の材料、例えばチタン合金等で構成する必要がある。このような事情から、この変形例に係る熱サイクル設備では、アンモニア伝熱部３Ａと海水伝熱部３Ｂとが耐食性を考慮して異種材料で形成されている。アンモニア伝熱部３Ａ及び伝熱プレート３Ｃは、例えば炭素鋼で形成され、海水伝熱部３Ｂはチタン合金によって形成されている。

このようなアンモニア伝熱部３Ａ、海水伝熱部３Ｂ及び伝熱プレート３Ｃを備える熱サイクル設備Ｂによれば、上述した第１実施形態に係る熱サイクル設備Ａの奏する効果に加え、第２気化装置の耐食性を第１実施形態に係る熱サイクル設備Ａよりも向上させることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図３を参照して説明する。この第２実施形態に係る熱サイクル設備Ｃは、ランキンサイクルにアンモニアの膨張サイクルを組み合わせたものであり、図１に示した熱サイクル設備Ａに膨張タービン８を付加した構成を備える。この熱サイクル設備Ｃでは、気化器３と膨張タービン８とによってアンモニアの膨張サイクルが形成されている。なお、上記膨張タービン８は、本発明の第２動力発生装置に相当する。

すなわち、この熱サイクル設備Ｃは、気化器３とボイラ４との間に膨張タービン８を設けることにより、気化器３で生成された気体アンモニアを用いて膨張タービン８を駆動するものである。この熱サイクル設備Ｃでは、膨張タービン８で動力回収された後の気体アンモニアが燃料としてボイラ４に供給され、水蒸気が生成される。

このような熱サイクル設備Ｃでは、タービン５に加え膨張タービン８でも回転動力が発生する。したがって、この熱サイクル設備Ｃによれば、上述した熱サイクル設備Ａ，Ｂの奏する効果に加え、当該熱サイクル設備Ａ、Ｂよりも大きな動力を発生させることが可能である。例えば、タービン５で発生させた回転動力を用いて発電機を駆動し、また膨張タービン８で発生させた回転動力を用いて別の発電機を駆動することにより、熱サイクル設備Ａ，Ｂよりも大きな電力を発生させることが可能である。

図４は、このような第２実施形態の第１変形例に係る熱サイクル設備Ｄを示している。この熱サイクル設備Ｄは、気化器３に代えて、アンモニアに関する２つの伝熱部（第１伝熱部３ａ及び第２伝熱部３ｂ）を備えた気化器３Ｄ（第２気化装置）を備える。また、この気化器３Ｄでは、海水を第１伝熱部３ａを通過する液体アンモニアと最初に熱交換させ、その後に第２伝熱部３ｂを通過する液体アンモニアと熱交換させる。

また、この熱サイクル設備Ｄでは、第１伝熱部３ａと第２伝熱部３ｂとの間に膨張タービン８が設けられる。第１伝熱部３ａは、ポンプ２から供給された液体アンモニアを海水と熱交換させることによって気体アンモニアを生成する。膨張タービン８は、この第１伝熱部３ａから供給される気体アンモニアによって駆動され、回転動力を発生させる。

気体アンモニアは、膨張タービン８で熱エネルギを奪われることにより温度・圧力が低下し、場合によっては一部が液化する。第２伝熱部３ｂは、膨張タービン８から供給されたアンモニア（一部が液化したもの）を海水と熱交換させることによって再加熱・再気化させる再加熱装置である。第２伝熱部３ｂで生成された気体アンモニアは、ボイラ４に燃料として供給される。

このような熱サイクル設備Ｄによれば、タービン５で発生させた回転動力に加え、膨張タービン８でも回転動力が得られるので、上述した熱サイクル設備Ａ，Ｂよりも大きな電力を発生させることが可能である。

さらに、図５は、第２実施形態の第２変形例に係る熱サイクル設備Ｅを示している。この熱サイクル設備Ｅは、上述した熱サイクル設備Ｃに熱交換器９を付加したものである。すなわち、この熱サイクル設備Ｅでは、気化器３と膨張タービン８との間に気体アンモニアをボイラ４の燃焼ガス（排ガス）と熱交させる熱交換器９が設けられる。この熱交換器９は、気化器３で生成された気体アンモニアをボイラ４の燃焼ガス（排ガス）と熱交させて過熱する過熱装置として機能する。

このような熱サイクル設備Ｅによれば、ボイラ４に供給される気体アンモニアの温度を上述した熱サイクル設備Ｃよりも上昇させることができるので、ボイラ４における気体アンモニアの燃焼性を向上させるとともに排ガス温度の低減が図れるため、熱サイクル設備Ｅの熱効率の向上を図ることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、海水（第２液体熱媒）との熱交換によって生成された気体アンモニアをボイラ４の燃料として利用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２気化装置で生成した気体アンモニアを還元剤として用いることにより第１気化装置で発生した燃焼ガスを脱硝処理する脱硝装置をさらに備えても良い。

すなわち、ボイラ４の燃焼ガス（排ガス）は、一般的に脱硝処理されることにより窒素酸化物（ＮＯｘ）が除去されが、この脱硝処理では還元剤としてアンモニアが用いられる。このような事情から、気体アンモニアをボイラ４の燃料として利用することに加え、あるいは気体アンモニアをボイラ４の燃料として利用することに代えて、気体アンモニアを脱硝装置における還元剤として利用しても良い。

（２）上記各実施形態では、ボイラ４、タービン５、復水器６及びポンプ７によってランキンサイクルを構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ボイラ４に代えて気体アンモニア（第１液体熱媒）を燃焼させて第１気体熱媒を生成する他の第１気化装置を採用し、またタービン５に代えて第１気体熱媒を用いて動力を発生させる他の動力発生装置を採用しても良い。この場合、水に代えて他の第１液体熱媒を採用しても良い。

（３）上記各実施形態では、第２液体熱媒として海水を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、海水に代えて河川や湖等から導入した水（真水）を用いても良い。

（４）上記各実施形態では、気体アンモニアを単独燃料としてボイラ４で燃焼させたが、本発明はこれに限定されない。気体アンモニア以外の燃料を気体アンモニアと複合させて燃焼させても良い。気体アンモニア以外の燃料として、例えば石炭（微粉炭）や各種のバイオマスが考えられる。

（５）上記各実施形態では、ボイラ４の燃焼熱のみによって水（第１液体熱媒）を水蒸気（第１気体熱媒）に相転移させたが、本発明はこれに限定されない。例えば自然エネルギーとボイラ４の燃焼熱とを複合的に用いて第１液体熱媒を第１気体熱媒に相転移させても良い。

１ 燃料タンク
２ ポンプ（供給装置）
３，３Ｄ 気化器（第２気化装置）
３Ａ，３Ｄ アンモニア伝熱部
３Ｂ 海水伝熱部
３Ｃ 伝熱プレート（伝熱体）
３ａ 第１伝熱部
３ｂ 第２伝熱部（再加熱装置）
４ ボイラ（第１気化装置）
５ タービン（動力発生装置）
６ 復水器（凝縮装置）
７ ポンプ（循環装置）
８ 膨張タービン（第２動力発生装置）
９ 熱交換器（過熱装置）

Claims (7)

1. 燃料を燃焼させることにより、所定の第１液体熱媒を気化させる第１気化装置と、
   該第１気化装置で得られた第１気体熱媒を駆動流体として動力を発生する動力発生装置と、
   該動力発生装置から排出された第１気体熱媒を第２液体熱媒と熱交換させることにより凝縮させる凝縮装置と、
   該凝縮装置で得られた液体熱媒を加圧し、前記第１液体熱媒として前記第１気化装置に供給する循環装置と、
   前記第２液体熱媒を液体アンモニアと熱交換させることにより気体アンモニアを生成する第２気化装置と、
   該第２気化装置に前記液体アンモニアを供給する供給装置とを備え、
   前記第２気化装置は、前記第２液体熱媒が流通するチタン合金製伝熱性流路と、前記液体アンモニアが流通する炭素鋼製伝熱性流路と、前記チタン合金製伝熱性流路と前記炭素鋼製伝熱性流路とを熱結合させる伝熱プレートとを備えることを特徴とする熱サイクル設備。
2. 前記第２気化装置で生成された前記気体アンモニアを駆動流体として動力を発生する第２動力発生装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル設備。
3. 前記第２動力発生装置から排出された前記液体アンモニアを前記第２液体熱媒と熱交換させて再加熱する再加熱装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の熱サイクル設備。
4. 前記第２気化装置で生成された前記気体アンモニアを前記第１気化装置の排ガスと熱交換して過熱する過熱装置をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の熱サイクル設備。
5. 前記第１気化装置は、前記第２気化装置で生成した前記気体アンモニアを前記燃料として燃焼させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱サイクル設備。
6. 前記第２気化装置で生成した前記気体アンモニアを還元剤として用いることにより前記第１気化装置で発生した燃焼ガスを脱硝処理する脱硝装置をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱サイクル設備。
7. 第１液体熱媒は、水であり、
   前記第１気化装置は、前記水を気化させて水蒸気を発生するボイラであり、
   前記動力発生装置は、上記水蒸気を駆動流体とするタービンであり、
   前記第２液体熱媒は、水あるいは海水であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱サイクル設備。

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