特開 2023-166900 発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023166900

(43)【公開日】2023-11-22

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/00 20060101AFI20231115BHJP

   F22B 1/18 20060101ALI20231115BHJP

   F22D 1/36 20060101ALI20231115BHJP

   F22D 1/32 20060101ALI20231115BHJP

   C07C 1/12 20060101ALN20231115BHJP

【ＦＩ】

B01J19/00 E

F22B1/18 D

F22D1/36

F22D1/32 Z

C07C1/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022077755

(22)【出願日】2022-05-10

(71)【出願人】

【識別番号】000005119

【氏名又は名称】日立造船株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002860

【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼野 裕之

【テーマコード（参考）】

4G075

4H006

【Ｆターム（参考）】

4G075AA03

4G075AA43

4G075AA44

4G075AA45

4G075BA01

4G075BB02

4G075BD14

4G075CA02

4G075CA51

4G075CA54

4G075DA01

4G075EA06

4G075EB09

4H006AA04

4H006AC29

4H006BA16

4H006BA19

4H006BA20

4H006BC13

4H006BD81

(57)【要約】

【課題】熱媒体によって回収された熱を利用可能な技術を提供する。
【解決手段】発電システムは、触媒における原料ガスの発熱反応によって製品ガスを生成する反応塔と、前記反応塔を通って前記反応塔内を所定範囲の運転温度に維持する熱媒体を加熱源として液体から蒸気を生成する蒸気生成部と、前記蒸気生成部によって生成された前記蒸気で駆動する発電部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

触媒における原料ガスの発熱反応によって製品ガスを生成する反応塔と、
前記反応塔を通って前記反応塔内を所定範囲の運転温度に維持する熱媒体を加熱源として液体から蒸気を生成する蒸気生成部と、
前記蒸気生成部によって生成された前記蒸気で駆動する発電部と、を備える、
発電システム。

【請求項2】

前記蒸気生成部へ供給する前記液体を、前記反応塔から送出される前記製品ガスによって予熱する予熱部を更に備える、
請求項１に記載の発電システム。

【請求項3】

前記反応塔へ供給する前記原料ガスを、前記反応塔から送出される前記製品ガスによって予熱するガス予熱部を更に備える、
請求項１または２に記載の発電システム。

【請求項4】

前記反応塔へ供給する前記原料ガスを、前記反応塔を通った前記熱媒体で予熱するガス予熱部を更に備える、
請求項１または２に記載の発電システム。

【請求項5】

第１の反応塔および第２の反応塔を含む複数の前記反応塔と、
前記第１の反応塔に前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、を更に備え、
前記熱媒体は、前記第２の反応塔を通った後、前記第１の反応塔を通って前記蒸気生成部において前記加熱源として用いられ、
前記第１の反応塔から前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスが前記第２の反応塔に供給される、
請求項１に記載の発電システム。

【請求項6】

前記蒸気生成部へ供給する前記液体を、前記第１の反応塔から送出される前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスによって予熱する第１の予熱部と、
前記蒸気生成部へ供給する前記液体を、前記第２の反応塔から送出される前記製品ガスによって予熱する第２の予熱部と、を更に備える、
請求項５に記載の発電システム。

【請求項7】

前記第１の反応塔へ供給する前記原料ガスを、前記第１の反応塔から送出される前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスによって予熱する第１のガス予熱部と、
前記第２の反応塔へ供給する前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスを、前記第２の反応塔から送出される前記製品ガスによって予熱する第２のガス予熱部と、を更に備える、
請求項５または６に記載の発電システム。

【請求項8】

前記第１の反応塔へ供給する前記原料ガスを、前記第１の反応塔を通った前記熱媒体で予熱する第１のガス予熱部と、
前記第２の反応塔へ供給する前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスを、前記第２の反応塔を通った前記熱媒体で予熱する第２のガス予熱部と、を更に備える、
請求項５または６に記載の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、気体状態の反応物の発熱反応によって、製品ガスを生成させる生成装置及び生成方法に関する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６９８４０９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

触媒が充填された反応器内に原料ガスを供給し、原料ガスの発熱反応によって原料ガスから製品ガスが生成される。反応器に熱媒体を通し、原料ガスの発熱反応時に発生する反応熱を熱媒体によって回収している。反応器を通った後の熱媒体は、冷却水を使って冷却されており、熱媒体によって回収された熱は利用されていない。

【0005】

本発明の目的は、熱媒体によって回収された熱を利用可能な技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するための本発明は、触媒における原料ガスの発熱反応によって製品ガスを生成する反応塔と、前記反応塔を通って前記反応塔内を所定範囲の運転温度に維持する熱媒体を加熱源として液体から蒸気を生成する蒸気生成部と、前記蒸気生成部によって生成された前記蒸気で駆動する発電部と、を備える、発電システムである。

【0007】

熱媒体が反応塔を通ることにより、熱媒体が反応塔内における原料ガスの反応熱を回収する。反応塔を通った熱媒体は、反応塔内における原料ガスの反応熱によって加熱されている。反応塔における運転温度が高くなると、反応塔を通った熱媒体の温度が高くなる。反応塔を通った熱媒体を加熱源として液体から蒸気を生成し、生成された蒸気で発電部を駆動することにより、熱媒体によって回収された熱を利用することが可能となる。これにより、プロセス全体又はプロセスの一部におけるエネルギー効率を向上することができる。

【0008】

上記発電システムは、前記蒸気生成部へ供給する前記液体を、前記反応塔から送出される前記製品ガスによって予熱する予熱部を更に備えてもよい。予熱部において、蒸気生成部へ供給する液体と、反応塔から送出される製品ガスとの間で熱交換が行われる。反応塔内における原料ガスの発熱反応による反応塔の昇温により、反応塔から送出される製品ガスは温められている。したがって、蒸気生成部へ供給する液体を、反応塔から送出される製品ガスによって予熱することが可能である。蒸気生成部へ供給する液体を、反応塔から送出される製品ガスによって予熱することで、予熱された液体を蒸気生成部内に供給することができる。

【0009】

上記発電システムは、前記反応塔へ供給する前記原料ガスを、前記反応塔から送出される前記製品ガスによって予熱するガス予熱部を更に備えてもよい。反応塔へ供給する原料ガスと、反応塔から送出される製品ガスとの間で熱交換が行われる。反応塔内における原
料ガスの発熱反応による反応塔の昇温により、反応塔から送出される製品ガスは温められている。したがって、反応塔へ供給する原料ガスを、反応塔から送出される製品ガスによって予熱することが可能である。反応塔へ供給する原料ガスを、反応塔から送出される製品ガスによって予熱することで、予熱された原料ガスを反応塔内に供給することができる。

【0010】

上記発電システムは、前記反応塔へ供給する前記原料ガスを、前記反応塔を通った前記熱媒体で予熱するガス予熱部を更に備えてもよい。反応塔へ供給する原料ガスと、反応塔を通った熱媒体との間で熱交換が行われる。反応塔を通った熱媒体は、反応塔内における原料ガスの反応熱によって加熱されている。したがって、反応塔へ供給する原料ガスを、反応塔を通った熱媒体によって予熱することが可能である。反応塔へ供給する原料ガスを、反応塔を通った熱媒体で予熱することで、予熱された原料ガスを反応塔内に供給することができる。

【0011】

上記発電システムは、第１の反応塔および第２の反応塔を含む複数の前記反応塔と、前記第１の反応塔に前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、を更に備え、前記熱媒体は、前記第２の反応塔を通った後、前記第１の反応塔を通って前記蒸気生成部において前記加熱源として用いられ、前記第１の反応塔から前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスが前記第２の反応塔に供給されてもよい。第２の反応塔を通った熱媒体は、第２の反応塔における原料ガスの反応熱によって加熱され、第１の反応塔を通った熱媒体は、第１の反応塔における原料ガスの反応熱によって更に加熱されている。第１および第２の反応塔を通った熱媒体を加熱源として液体から蒸気を生成し、生成された蒸気で発電部を駆動することにより、熱媒体によって回収された熱を利用することが可能となる。

【0012】

上記発電システムは、前記蒸気生成部へ供給する前記液体を、前記第１の反応塔から送出される前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスによって予熱する第１の予熱部と、前記蒸気生成部へ供給する前記液体を、前記第２の反応塔から送出される前記製品ガスによって予熱する第２の予熱部と、を更に備えてもよい。第１の反応塔内における原料ガスの発熱反応による第１の反応塔の昇温により、第１の反応塔から送出される製品ガス及び原料ガスは温められている。したがって、蒸気生成部へ供給する液体を、第１の反応塔から送出される製品ガス及び原料ガスによって予熱することが可能である。蒸気生成部へ供給する液体を、第１の反応塔から送出される製品ガス及び未反応の原料ガスによって予熱することで、予熱された液体を蒸気生成部内に供給することができる。第２の反応塔内における原料ガスの発熱反応による第２の反応塔の昇温により、第２の反応塔から送出される製品ガスは温められている。したがって、蒸気生成部へ供給する液体を、第２の反応塔から送出される製品ガスによって予熱することが可能である。蒸気生成部へ供給する液体を、第２の反応塔から送出される製品ガスによって予熱することで、予熱された液体を蒸気生成部内に供給することができる。

【0013】

上記発電システムは、前記第１の反応塔へ供給する前記原料ガスを、前記第１の反応塔から送出される前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスによって予熱する第１のガス予熱部と、前記第２の反応塔へ供給する前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスを、前記第２の反応塔から送出される前記製品ガスによって予熱する第２のガス予熱部と、を更に備えてもよい。第１の反応塔内における原料ガスの発熱反応による第１の反応塔の昇温により、第１の反応塔から送出される製品ガス及び未反応の原料ガスは温められている。したがって、第１の反応塔へ供給する原料ガスを、第１の反応塔から送出される製品ガス及び未反応の原料ガスによって予熱することが可能である。第１の反応塔へ供給する原料ガスを、第１の反応塔から送出される製品ガスによって予熱することで、予熱された原料ガスを第１の反応塔内に供給することができる。第２の反応塔内における原料ガスの発熱反応による第２の反応塔の昇温により、第２の反応塔から送出される製品ガスは温められて
いる。したがって、第２の反応塔へ供給する原料ガスを、第２の反応塔から送出される製品ガスによって予熱することが可能である。第２の反応塔へ供給する原料ガスを、第２の反応塔から送出される製品ガスによって予熱することで、予熱された原料ガスを第２の反応塔内に供給することができる。

【0014】

上記発電システムは、前記第１の反応塔へ供給する前記原料ガスを、前記第１の反応塔を通った前記熱媒体で予熱する第１のガス予熱部と、前記第２の反応塔へ供給する前記製品ガスおよび未反応の前記原料ガスを、前記第２の反応塔を通った前記熱媒体で予熱する第２のガス予熱部と、を更に備えてもよい。第１の反応塔を通った熱媒体は、第１の反応塔内における原料ガスの反応熱によって加熱されている。したがって、第１の反応塔へ供給する原料ガスを、第１の反応塔を通った熱媒体によって予熱することが可能である。第１の反応塔へ供給する原料ガスを、第１の反応塔を通った熱媒体で予熱することで、予熱された原料ガスを第１の反応塔内に供給することができる。第２の反応塔を通った熱媒体は、第２の反応塔内における原料ガスの反応熱によって加熱されている。したがって、第２の反応塔へ供給する原料ガスを、第２の反応塔を通った熱媒体によって予熱することが可能である。第２の反応塔へ供給する原料ガスを、第２の反応塔を通った熱媒体で予熱することで、予熱された原料ガスを第２の反応塔内に供給することができる。

【発明の効果】

【0015】

熱媒体によって回収された熱を利用可能な技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、実施形態に係る発電システムの概略構成図である。

【図2】図２は、分離部の構成図である。

【図3】図３は、実施形態に係る発電システムの詳細構成図である。

【図4】図４は、実施形態に係る発電システムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であり、本発明の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

【0018】

図１は、本発明の実施形態に係る発電システムの概略構成図である。図１に示す発電システム１００は、原料ガスの発熱反応によって製品ガスを生成する反応塔を通る熱媒体を加熱源として液体から生成した蒸気により発電を行う。例えば、原料ガス（反応ガス）である気体状態の水素と二酸化炭素の発熱反応によって、製品ガスであるメタンガスと、水とを生成させる。また、上記の化学反応は可逆反応でもある。上記の発熱反応を化学反応式で表すと下記の通りである。
４Ｈ_２＋ＣＯ_２⇔ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ （１）

【0019】

発電システム１００は、一段目の反応塔１と、一段目のガス冷却用熱交換器２と、二段目の反応塔３と、二段目のガス冷却用熱交換器４と、熱媒体ヒーター５と、ボイラー６と、気液分離器７、８と、原料ガス供給部９と、飽和蒸気発電機１０と、を備える。

【0020】

反応塔１は、触媒における原料ガスの発熱反応によって製品ガスを生成する。反応塔１は、熱交換型の反応容器である。原料ガスは、例えば、水素（Ｈ_２）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）などの炭化水素を含む。製品ガスは、例えば、メタンガスである。反応塔１と原料ガス供給部９とが配管によって接続され、原料ガスが原料ガス供給部９から反応塔１内に供給される。また、反応塔１は、触媒における原料ガスの発熱反応によって生成水を生成する。反応塔１とガス冷却用熱交換器２とが配管によって接続されている。反応塔１とガス冷却用熱交換器２とを接続する配管にはバルブなどが設けられている。

【0021】

ガス冷却用熱交換器２は、反応塔１において生成された生成水（水蒸気）を凝縮する。ガス冷却用熱交換器２と気液分離器７とが配管によって接続されている。ガス冷却用熱交換器２と気液分離器７とを接続する配管にはバルブなどが設けられている。気液分離器７は、製品ガス及び未反応の原料ガスから生成水（液体）を分離する。発電システム１００は、分離部１１を備え、気液分離器７から分離部１１に生成水が送られる。分離部１１の詳細については後述する。

【0022】

反応塔３と気液分離器７とが配管によって接続されている。反応塔３と気液分離器７とを接続する配管にはバルブなどが設けられている。反応塔１で生成された製品ガス及び未反応の原料ガスは、ガス冷却用熱交換器２及び気液分離器７を経由して反応塔３へ送られる。反応塔３は、触媒における原料ガスの発熱反応によって製品ガスを生成する。反応塔３は、熱交換型の反応容器である。反応塔３において未反応の原料ガスから製品ガスが生成されることで、高濃度の製品ガスを生成することが可能となる。

【0023】

反応塔３とガス冷却用熱交換器４とが配管によって接続されている。反応塔３とガス冷却用熱交換器４とを接続する配管にはバルブなどが設けられている。ガス冷却用熱交換器４は、反応塔３において生成された生成水（水蒸気）を凝縮する。ガス冷却用熱交換器４と気液分離器８とが配管によって接続されている。ガス冷却用熱交換器４と気液分離器８とを接続する配管にはバルブなどが設けられている。気液分離器８は、製品ガス及び未反応の原料ガスから生成水（液体）を分離する。

【0024】

発電システム１００は貯留タンク１２を備える。気液分離器８から分離部１１に生成水が送られ、気液分離器８から貯留タンク１２に製品ガスが送られる。貯留タンク１２は、製品ガスを貯留する。気液分離器７及び８には、生成水を排出するための水抜き弁が設けられている。水抜き弁は、ドレントラップのような浮き具の浮力を用いて弁を開閉させるものでもよいし、あるいは電気的に水位を探知して電磁弁を開閉するものでもよい。

【0025】

反応塔１及び３には、予め触媒が充填されている。触媒は、反応式（１）を促進する触媒ではあれば何でもよく、例えば、安定化元素が固溶し、正方晶系、及び、又は、立方晶系の結晶構造を有する安定化ジルコニア担体と、安定化ジルコニア担体に担持されるＮｉと、を備え、安定化元素は、Ｍｎ、ＦｅおよびＣｏからなる群から選択される少なくとも１種の遷移元素からなる触媒が挙げられる。

【0026】

また、反応塔１及び３はジャケット構造になっており、ジャケット部分（シェル）には発熱反応が生じる反応塔内の発熱部分と熱交換する熱媒体が流出入可能となっている。熱媒体には、例えば熱媒油又は水を用いる。熱媒体ヒーター５と反応塔３のジャケット部分とが、熱媒体が流れる配管によって接続されている。また、反応塔１のジャケット部分と反応塔３のジャケット部分とが、熱媒体が流れる配管によって接続されている。熱媒体が流れる配管には、バルブなどが設けられている。熱媒体ヒーター５は、熱媒体を加熱する加熱器である。

【0027】

反応塔１のジャケット部分とボイラー６とが、熱媒体が流れる配管によって接続されている。ボイラー６は、液体から蒸気（飽和蒸気）を生成する蒸気生成部である。ボイラー６は、熱媒体が流入可能な内部配管５１と、水などの液体が貯留された液体タンク５２とを有する。内部配管５１の一部である加熱管が、ボイラー６内を循環している。また、内部配管５１における加熱管が、液体タンク５２内に配置されている。液体タンク５２内に貯留された液体は、内部配管５１内に流入した熱媒体を熱源として加熱される。これにより、液体タンク５２内に貯留された液体から蒸気が生成される。熱媒体ヒーター５とボイラー６の内部配管５１とが、熱媒体が流れる配管によって接続されている。熱媒体ヒータ
ー５によって加熱された熱媒体は、反応塔３を通った後、反応塔１を通り、ボイラー６の内部配管５１内に流入する。熱媒体ヒーター５とボイラー６の内部配管５１とを接続する配管には、反応塔１、３、熱媒体ヒーター５及びボイラー６の間で熱媒体を循環させるための熱媒体循環ポンプ１４が設けられている。また、熱媒体が流れる配管には調整弁１５及び１６が設けられている。調整弁１５及び１６を開閉することにより、反応塔１及び３を通った熱媒体を、ボイラー６を経由して熱媒体ヒーター５に送ったり、ボイラー６を経由せずに熱媒体ヒーター５に送ったりすることができる。

【0028】

発電システム１００は、チラー１７Ａ及び１７Ｂを備える。チラー１７Ａは、ガス冷却用熱交換器２において生成水を凝縮させるための冷却水（冷媒）を冷却する。ガス冷却用熱交換器２及びチラー１７Ａは、冷却水が流れる配管によって相互に接続されている。チラー１７Ｂは、ガス冷却用熱交換器４において生成水を凝縮させるための冷却水（冷媒）を冷却する。ガス冷却用熱交換器４及びチラー１７Ｂは、冷却水が流れる配管によって相互に接続されている。ここでは、発電システム１００が、チラー１７Ａ及び１７Ｂを備える例を示しているが、一つのチラーが、ガス冷却用熱交換器２及び４において生成水を凝縮させるための冷却水を冷却してもよい。

【0029】

発電システム１００は、制御部２１と、反応塔１内の温度を測定する測定センサ２２と、反応塔３内の温度を測定する測定センサ２３とを備える。測定センサ２２によって測定された測定データ及び測定センサ２３によって測定された測定データは、制御部２１に送られる。これにより、制御部２１は、反応塔１内の温度及び反応塔３内の温度を取得する。制御部２１は、測定センサ２２によって測定された測定データ及び測定センサ２３によって測定された測定データを原料ガス供給部９に送る。これにより、原料ガス供給部９は、反応塔１内の温度及び反応塔３内の温度を取得する。

【0030】

制御部２１は、発電システム１００の動作全体を制御するコントローラである。制御部２１は、専用の機器により構成してもよいし、汎用のコンピュータにより構成してもよい。制御部２１は、プロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ、ストレージ、通信Ｉ／Ｆなどのハードウェア資源を備えている。メモリは、ＲＡＭであってもよい。ストレージは、不揮発性の記憶装置（例えばＲＯＭ、フラッシュメモリなど）であってもよい。制御部２１の機能は、ストレージに格納されたプログラムをメモリに展開しプロセッサによって実行することにより実現される。なお、制御部２１の構成はこれらに限られない。例えば、機能の全部又は一部をＡＳＩＣやＦＰＧＡなどの回路で構成してもよいし、あるいは、機能の全部又は一部をクラウドサーバや他の装置で実行してもよい。

【0031】

制御部２１は、熱媒体ヒーター５を制御する。熱媒体ヒーター５の動作が制御されることで、熱媒体ヒーター５は、熱媒体に対する加熱を行い、又は、熱媒体に対する加熱を停止する。このように、熱媒体ヒーター５を用いて熱媒体に対する加熱や加熱の停止が行われる。熱媒体の温度が所定温度になるように、制御部２１は、熱媒体ヒーター５を制御する。所定温度は、例えば、２５０℃以上５００℃以下である。また、制御部２１は、調整弁１５及び１６を制御する。

【0032】

制御部２１は、熱媒体の温度調整により、反応塔１内を所定範囲の運転温度に維持する。すなわち、温度調整された熱媒体が反応塔１を通ることで、反応塔１内が所定範囲の運転温度に維持される。制御部２１は、反応塔１内の温度を、例えば、２５０℃以上３００℃以下に維持するように、熱媒体の温度を調整してもよい。制御部２１は、反応塔１内の温度を、好ましくは、２８０℃以上に維持するように、熱媒体の温度を調整する。運転温度は、２５０℃以上３００℃以下に限られない。運転温度は、２５０℃以上５００℃以下であってもよい。運転温度は、原料ガスの発熱反応が良好に進行する温度である定格温度であってもよい。定格温度は、高濃度の製品ガスが生成される温度であってもよい。

【0033】

制御部２１は、熱媒体の温度調整により、反応塔３内を所定範囲の運転温度に維持する。すなわち、温度調整された熱媒体が反応塔３を通ることで、反応塔３内が所定範囲の運転温度に維持される。制御部２１は、反応塔３内の温度を、例えば、２５０℃以上３００℃以下に維持するように、熱媒体の温度を調整してもよい。制御部２１は、反応塔３内の温度を、好ましくは、２８０℃以上に維持するように、熱媒体の温度を調整する。運転温度は、２５０℃以上３００℃以下に限られない。運転温度は、２５０℃以上５００℃以下であってもよい。運転温度は、原料ガスの発熱反応が良好に進行する温度である定格温度であってもよい。定格温度は、高濃度の製品ガスが生成される温度であってもよい。

【0034】

ボイラー６は、反応塔１及び３を通って内部配管５１内に流入した熱媒体を加熱源として、液体タンク５２内に貯留された液体を加熱することにより、液体タンク５２内に貯留された液体から蒸気を生成する。ボイラー６と飽和蒸気発電機１０とが配管によって接続されている。ボイラー６と飽和蒸気発電機１０とを接続する配管にはボイラー６内を所定蒸気圧に調整する圧力調整弁１８が設けられている。圧力調整弁１８の制御目標値である当該所定蒸気圧は、飽和蒸気発電機１０を作動させることが可能な定格の蒸気圧である。ボイラー６によって生成された蒸気は、飽和蒸気発電機１０に送られる。ボイラー６内が所定蒸気圧になるように圧力調整弁１８の開度が制御されることにより、飽和蒸気発電機１０に送られる蒸気の量や圧力が制御される。制御部２１が、圧力調整弁１８の開度などを制御してもよい。

【0035】

飽和蒸気発電機１０は、ボイラー６によって生成された蒸気で駆動する発電部である。飽和蒸気発電機１０は、タービン式発電機であってもよいし、スクリュー式発電機であってもよい。飽和蒸気発電機１０は、ボイラー６から供給された蒸気により発電を行う。飽和蒸気発電機１０によって発電された電気を、プロセスを運用するための制御ユニット、加熱設備、コンプレッサなどのプロセス内動力等に使うことができる。また、飽和蒸気発電機１０によって発電された電気をプロセス内動力に使う共に、余剰分の電力を任意の動力等に供給してもよい。また、蓄電設備を配置し、飽和蒸気発電機１０によって発電された電気を蓄電設備に貯蔵してもよい。

【0036】

熱媒体が反応塔３を通ることにより、熱媒体が反応塔３内における原料ガスの反応熱を回収する。また、熱媒体が反応塔１を通ることにより、熱媒体が反応塔１内における原料ガスの反応熱を回収する。したがって、反応塔１及び３を通った熱媒体は、反応塔１内における原料ガスの反応熱と、反応塔３内における原料ガスの反応熱とによって加熱されている。反応塔１における運転温度が高くなると、反応塔１を通った熱媒体の温度が高くなり、反応塔３における運転温度が高くなると、反応塔３を通った熱媒体の温度が高くなる。本実施形態では、反応塔１及び３を通った熱媒体を加熱源として、液体タンク５２内に貯留された液体から蒸気を生成し、生成された蒸気で飽和蒸気発電機１０を駆動することにより、熱媒体によって回収された熱を利用することが可能となる。このように、回収した反応熱に基づいて蒸気を作り、更に蒸気から電気を生成することによって、回収した反応熱を一般的かつ広く使い易い形態とする。これにより、プロセス全体又はプロセスの一部（例えば、メタン化反応プロセス）におけるエネルギー効率を向上することができる。

【0037】

次いで、分離部１１について説明する。図２は、分離部１１の構成図である。分離部１１は、反応塔１において製品ガスが生成される際に反応塔１で生成された生成水から生成水に溶存する溶存ガスを分離する。また、分離部１１は、反応塔３において製品ガスが生成される際に反応塔３で生成された生成水から生成水に溶存する溶存ガスを分離する。分離部１１は、ポンプ６１と、分離膜モジュール６２と、真空ポンプ６３と、バッファタンク６４と、コンプレッサ６５とを備える。発電システム１００は、反応塔３から送出される製品ガスが流れる製品ガス経路１３を備える。製品ガス経路１３は、貯留タンク１２に
接続されていてもよい。

【0038】

気液分離器７及び８から分離部１１に送られた生成水は、ポンプ６１により分離膜モジュール６２に送られる。分離膜モジュール６２は、分離膜６６を有する。分離膜６６は、例えば、中空糸膜である。分離膜モジュール６２に真空ポンプ６３が接続されている。分離膜６６により生成水から溶存ガスが分離される。溶存ガスが製品ガスである場合、真空ポンプ６３により分離膜モジュール６２内が真空引きされ、バッファタンク６４に製品ガスが送られる。バッファタンク６４は、製品ガスを一時的に貯留する。バッファタンク６４に貯留された製品ガスは、コンプレッサ６５により製品ガス経路１３に送られる。これにより、製品ガス経路１３を流れる製品ガスに対して生成水から分離された製品ガスが合流する。

【0039】

従来、生成水に溶存する製品ガスを大気中に拡散する方法や、デガッサー（脱気装置）を用いて、生成水を貯留したタンク内に空気などの気体を吹き込み、強制的に生成水から製品ガスを追い出す方法が用いられていた。このような方法では、製品ガスを貯留するための容積の大きいタンクや、タンク内に気体を吹き込むための機器が必要となる。本実施形態によれば、バッファタンク６４は、製品ガスを一時的に貯留するバッファタンク６４の容積は小さいため、省スペース化を実現できる。また、本実施形態によれば、タンク内に気体を吹き込むための機器は不要である。製品ガス経路１３を流れる製品ガスに対して生成水から分離された製品ガスを合流させるため、大気中への製品ガスの拡散を抑止することができる。

【0040】

上記では、溶存ガスが製品ガスである場合について説明しているが、溶存ガスは未反応の原料ガスであってもよい。分離膜モジュール６２の分離膜６６の種類を変更することにより生成水に溶存する製品ガスを生成するから分離したり、生成水に溶存する未反応の原料ガスを生成水から分離したりすることができる。また、分離部１１は、生成水に溶存する製品ガスを生成水から分離するための分離膜モジュール６２と、生成水に溶存する未反応の原料ガスを生成水から分離するための分離膜モジュール６２と、を備えてもよい。また、分離部１１は、製品ガス用のバッファタンク６４と、未反応の原料ガス用のバッファタンク６４と、を備えてもよい。

【0041】

溶存ガスが未反応の原料ガスである場合、真空ポンプ６３により分離膜モジュール６２内が真空引きされ、バッファタンク６４に未反応の原料ガスが送られる。バッファタンク６４に貯留された未反応の原料ガスは、コンプレッサ６５により原料ガス供給部９に送られる。これにより、未反応の原料ガスが原料ガス供給部９に戻される。本実施形態によれば、バッファタンク６４は、未反応の原料ガスを一時的に貯留するバッファタンク６４の容積は小さいため、省スペース化を実現できる。また、本実施形態によれば、タンク内に気体を吹き込むための機器は不要である。未反応の原料ガスを原料ガス供給部９に戻すため、大気中への未反応の原料ガスの拡散を抑止することができる。

【0042】

また、気液分離器８から送出される製品ガス及び未反応の原料ガスを乾燥させるために、触媒やシリカゲルを充填した容器又は多孔質膜などに製品ガス及び未反応の原料ガスを通過させ、ガス中の水分を除去してもよい。多孔質膜を使う場合、真空ポンプによる吸引又は原料ガスのうちの乾燥水素を使ってもよい。更に、上記乾燥プロセスを通して得られた乾燥ガス（乾燥した製品ガス)は、乾燥ガス中のメタン又はエタンなどの炭化水素の純
度を上げるために、有機膜を使った膜分離設備を用いて、濃縮させた炭化水素リッチのガスにしてもよい。膜分離の濃縮のために別途発生するオフガスは、系外に排気してもよく、反応用原料として再利用してもよい。

【0043】

原料ガスは、下記の（１Ａ）～（１Ｄ）の少なくとも一つを含むガスと、下記の（２）
のガスとを、１：２～８の比率となるように流量制御によって調整された混合ガスであってもよい。
（１Ａ）二酸化炭素、若しくは、二酸化炭素とメタンを主成分とするバイオガス
（１Ｂ）水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水、炭化水素を主成分とする木質バイオマス
（１Ｃ）石炭由来のガス化ガス
（１Ｄ）高炉等製鉄プロセスからの排ガス及びセメント製造プロセスからの排ガスなどの二酸化炭素が０．０２％以上入っている混合ガス
（２）電気分解によって製造された水素、若しくは化学品製造工程より排出される水素、を含む混合ガス

【0044】

図３は、本発明の実施形態に係る発電システムの詳細構成図である。発電システム１００は、ガスミキサー３１と、エコノマイザー３２と、ガス加熱器３３と、を備える。原料ガス供給部９から送出される原料ガスは、ガスミキサー３１、エコノマイザー３２及びガス加熱器３３を経由して反応塔１内に供給される。発電システム１００は、水加熱用熱交換器３４と、エコノマイザー３５と、ガス加熱器３６と、水加熱用熱交換器３７と、を備える。反応塔１から送出される製品ガス及び未反応の原料ガスは、水加熱用熱交換器３４、エコノマイザー３２、ガス冷却用熱交換器２、気液分離器７、エコノマイザー３５及びガス加熱器３６を経由して反応塔３内に供給される。反応塔３から送出される製品ガスは、水加熱用熱交換器３７、エコノマイザー３５、ガス冷却用熱交換器４及び気液分離器８を経由して、貯留タンク１２に送られる。

【0045】

ガスミキサー３１は、原料ガス供給部９から送出される原料ガスを均一に混ぜる。エコノマイザー３２において、反応塔１へ供給する原料ガスと、反応塔１から送出されるガスとの間で熱交換が行われる。反応塔１から送出されるガスは、製品ガス、未反応の原料ガス、又は、製品ガスと未反応の原料ガスとの混合ガスである。加熱された熱媒体が反応塔１を通る際の反応塔１の昇温と、反応塔１内における原料ガスの発熱反応による反応塔１の昇温とにより、反応塔１から送出されるガスは温められている。したがって、エコノマイザー３２は、反応塔１へ供給する原料ガスを、反応塔１から送出されるガスによって予熱するガス予熱部として機能する。反応塔１へ供給する原料ガスを、反応塔１から送出されるガスによって予熱することで、予熱された原料ガスを反応塔１内に供給することができる。エコノマイザー３２は、反応塔１へ供給する原料ガスが流れる流路７１と、反応塔１から送出されるガスが流れる流路７２とを有する。流路７１を流れる原料ガスは、流路７２に流入せず、流路７２を流れるガスは、流路７１に流入しない。

【0046】

ガス加熱器３３において、反応塔１へ供給する原料ガスと、反応塔１を通った熱媒体との間で熱交換が行われる。熱媒体は、熱媒体ヒーター５によって加熱されている。また、反応塔１及び３を通った熱媒体は、反応塔１内における原料ガスの反応熱と、反応塔３内における原料ガスの反応熱とによって加熱されている。したがって、ガス加熱器３３は、反応塔１へ供給する原料ガスを、反応塔１及び３を通った熱媒体で予熱するガス予熱部として機能する。反応塔１へ供給する原料ガスを、反応塔１及び３を通った熱媒体で予熱することで、予熱された原料ガスを反応塔１内に供給することができる。反応塔３を通った熱媒体は、反応塔３における原料ガスの反応熱によって加熱され、反応塔１を通った熱媒体は、反応塔１における原料ガスの反応熱によって更に加熱されている。ガス加熱器３３は、反応塔１へ供給する原料ガスが流れる流路７３と、熱媒体が流れる流路７４とを有する。流路７３を流れる原料ガスは、流路７４に流入せず、流路７４を流れる熱媒体は、流路７３に流入しない。

【0047】

水加熱用熱交換器３４において、ボイラー６へ供給する液体と、反応塔１から送出されるガスとの間で熱交換が行われる。加熱された熱媒体が反応塔１を通る際の反応塔１の昇温と、反応塔１内における原料ガスの発熱反応による反応塔１の昇温とにより、反応塔１
から送出されるガスは温められている。したがって、水加熱用熱交換器３４は、ボイラー６へ供給する液体を、反応塔１から送出されるガスによって予熱する予熱部として機能する。ボイラー６へ供給する液体を、反応塔１から送出されるガスによって予熱することで、予熱された液体をボイラー６内に供給することができる。水加熱用熱交換器３４は、ボイラー６へ供給する液体が流れる流路７５と、反応塔１から送出されるガスが流れる流路７６とを有する。流路７５を流れる液体は、流路７６に流入せず、流路７６を流れるガスは、流路７５に流入しない。

【0048】

発電システム１００は、ポンプ３８と、デアレーター３９と、低圧飽和蒸気供給部４０と、セパレータ４１と、排出弁４２と、を備える。ポンプ３８が駆動することにより、デアレーター３９内に保持された液体が、水加熱用熱交換器３４を経由してボイラー６内に供給される。デアレーター３９は、ボイラー６内に供給される液体の酸素や二酸化炭素などの気体を除去する。低圧飽和蒸気供給部４０は、低圧飽和蒸気を含む気液混合流体を送出する。セパレータ４１は、低圧飽和蒸気供給部４０から送出された気液混合流体から液体を除去して、低圧飽和蒸気をボイラー６内に供給する。セパレータ４１は、気液混合流体から除去した液体を保持する。また、低圧飽和蒸気供給部４０から送出された気液混合流体は、デアレーター３９に送られる。排出弁４２が開かれることにより、セパレータ４１内に保持された液体が排出される。

【0049】

ガス加熱器３６において、反応塔３へ供給するガスと、反応塔３を通った熱媒体との間で熱交換が行われる。反応塔３へ供給するガスは、製品ガス、未反応の原料ガス、又は、製品ガスと未反応の原料ガスとの混合ガスである。熱媒体は、熱媒体ヒーター５によって加熱されている。また、反応塔３を通った熱媒体は、反応塔３内における原料ガスの反応熱によって加熱されている。したがって、ガス加熱器３６は、反応塔３へ供給するガスを、反応塔３を通った熱媒体で予熱するガス予熱部として機能する。反応塔３へ供給する原料ガスを、反応塔３を通った熱媒体で予熱することで、予熱されたガスを反応塔３内に供給することができる。ガス加熱器３６は、反応塔３へ供給するガスが流れる流路７７と、熱媒体が流れる流路７８とを有する。流路７７を流れるガスは、流路７８に流入せず、流路７８を流れる熱媒体は、流路７７に流入しない。

【0050】

発電システム１００は、液体供給部４３を備える。液体供給部４３は、水などの液体を送出する。液体供給部４３から送出された液体は、水加熱用熱交換器３７、デアレーター３９及び水加熱用熱交換器３４を経由して、ボイラー６内に供給される。

【0051】

水加熱用熱交換器３７において、ボイラー６へ供給する液体と、反応塔３から送出されるガスとの間で熱交換が行われる。反応塔３から送出されるガスは、製品ガス、未反応の原料ガス、又は、製品ガスと未反応の原料ガスとの混合ガスである。加熱された熱媒体が反応塔３を通る際の反応塔３の昇温と、反応塔３内における原料ガスの発熱反応による反応塔３の昇温とにより、反応塔３から送出されるガスは温められている。したがって、水加熱用熱交換器３７は、ボイラー６へ供給する液体を、反応塔３から送出されるガスによって予熱する予熱部として機能する。ボイラー６へ供給する液体を、反応塔３から送出されるガスによって予熱することで、予熱された液体をボイラー６内に供給することができる。水加熱用熱交換器３７は、ボイラー６へ供給する液体が流れる流路７９と、反応塔３から送出されるガスが流れる流路８０とを有する。流路７９を流れる液体は、流路８０に流入せず、流路８０を流れるガスは、流路７９に流入しない。

【0052】

エコノマイザー３５において、反応塔３へ供給するガスと、反応塔１から送出されるガスとの間で熱交換が行われる。加熱された熱媒体が反応塔３を通る際の反応塔３の昇温により、反応塔３から送出されるガスは温められている。したがって、エコノマイザー３５は、反応塔３へ供給するガスを、反応塔３から送出されるガスによって予熱するガス予熱
部として機能する。反応塔３へ供給するガスを、反応塔３から送出されるガスによって予熱することで、予熱されたガスを反応塔３内に供給することができる。エコノマイザー３５は、反応塔３へ供給するガスが流れる流路８１と、反応塔３から送出されるガスが流れる流路８２とを有する。流路８１を流れるガスは、流路８２に流入せず、流路８２を流れるガスは、流路８１に流入しない。

【0053】

発電システム１００では、ボイラー６へ供給する液体を、反応塔１から送出されるガスによって予熱し、予熱された液体をボイラー６内に供給する。また、発電システム１００では、ボイラー６へ供給する液体を、反応塔３から送出されるガスによって予熱し、予熱された液体をボイラー６内に供給する。これにより、ボイラー６では、予熱された液体を加熱することで、飽和蒸気を生成することが可能である。圧力調整弁１８は、ボイラー６内で生成される飽和蒸気の温度が２５０℃以上になるような圧力調整を行う。したがって、ボイラー６では、高温の液体から高温の飽和蒸気を生成することが可能である。また、ボイラー６では、高温の液体から飽和蒸気を生成するため、飽和蒸気の生成に要する時間が短縮される。

【0054】

発電システム１００は、熱媒体タンク４４及び４５を有する。熱媒体タンク４４及び４５は、熱媒体が流れる配管に設けられている。反応塔１及び３のメンテナンスを行う場合、反応塔１のジャケット部分及び反応塔３のジャケット部分に流入した熱媒体を、熱媒体タンク４４及び４５内に一時的に貯留する。

【0055】

熱媒体系統では、熱媒体として熱媒油を用いる場合、熱媒体が高温時になったときに膨張する容積を受け入れるための膨張タンク又はクッションタンクが用いられる。熱媒体タンク４４及び４５に替えて、膨張タンク又はクッションタンクを用いてもよい。熱媒体としてボイラー水などの高圧化で液体状態の水を用いる場合、クッションタンクの代わりに汽水ドラムが用いられる。熱媒体タンク４４及び４５に替えて、汽水ドラムを用いてもよい。

【0056】

定常時のボイラー６内の水位調整について説明する。ここでは、ボイラー６内に水が貯留されている場合について説明する。定常時、ボイラー６で生成された飽和蒸気は、ボイラー６内が所定蒸気圧に達して圧力調整弁１８が開くことにより飽和蒸気発電機１０に供給される。このとき、飽和蒸気発電機１０で消費される飽和蒸気量に応じて、ボイラー６内の水位は原理上下がる。ボイラー６内の水位が下がると、内部配管５１における加熱管がむき出しとなり、安全上好ましくないため、ボイラー６内の水位をコントロールする必要がある。

【0057】

ボイラー６内の水位のコントロール方法は、原則として、ボイラー６にレベルトランスミッターを設けた上で、飽和蒸気発電機１０に蒸気を供給する。飽和蒸気発電機１０において蒸気が消費された場合、ポンプ３８を駆動して、液体供給部４３から送出された原料水が、水加熱用熱交換器３７、デアレーター３９及び水加熱用熱交換器３４を経由して、ボイラー６内に供給される。飽和蒸気発電機１０において消費された蒸気量相当分の原料水がボイラー６内に供給されるため、ボイラー６内の水位は一定の範囲内で安定する。

【0058】

スタートアップ時にはボイラー６内が所定蒸気圧に達していないため、圧力調整弁１８が閉状態となっている。そして、ボイラー６内が所定蒸気圧に到達すると圧力調整弁１８が開き始め、飽和蒸気発電機１０が運転可能な状態となる。一方、ボイラー６は、プロセス上、腐食等の関係から一時的にブローする必要があるので、定常運転時でもボイラー６内の水位が低下する場合がある。また、それ以外でもプロセスの微調整等によりボイラー６内の水位が下がることがある。この場合の水位コントロールは、以下の手法１又は手法２により行う。

【0059】

（手法１）
ポンプ３８を駆動した場合のボイラー６への水の供給量は一定とし、調整弁１５及び１６の開度を調整してボイラー６内の水に対する加熱量を抑える。このように、ボイラー６内の水位が上昇できるように、ボイラー６の蒸気製造量を一時的に下げる。
（手法２）
ポンプ３８を駆動した場合のボイラー６への水の供給量を一時的に増加させ、ボイラー６内の水位を上げる。このとき、調整弁１５及び１６の開度の調整を行わない

【0060】

ボイラー６内の水位が下がるような操作を行った後に、手法１又は手法２を行ってもよい。また、手法１又は手法２を行うことによりボイラー６内の水位をある程度上げた後、ボイラー６内の水位が下がるような操作を行ってもよい。

【0061】

上記の反応塔１及び３は、ジャケット構造を有しているが、これに限定されない。反応塔１及び３は、炭化水素と水素を化学的に反応させるための触媒が充填された管を１本以上有し、触媒が充填された管がそれよりも大きな口径のシェル管の中に配置された、単管式又は多管式のシェルアンドチューブ構造であってもよい。また、反応塔１及び３は、エンボス加工されたプレートと、サイドバーで囲われた空間に触媒が充填されたチャンバーを１つ以上有し、大きな口径のシェル管の中に触媒が充填されたチャンバーが配置され、エンボス加工されたプレートの中を熱媒体が循環できる並行平板構造であってもよい。

【0062】

図４は、本発明の実施形態に係る発電システム１００の構成図である。発電システム１００は、第１反応プロセス群１０１と、第２反応プロセス群１０２とを有する。第１反応プロセス群１０１は、反応塔１と、ガス冷却用熱交換器２と、気液分離器７と、エコノマイザー３２と、水加熱用熱交換器３４とを有する。第２反応プロセス群１０２は、反応塔３と、ガス冷却用熱交換器４と、気液分離器８と、エコノマイザー３５と、水加熱用熱交換器３７とを有する。図４に示す発電システム１００の構成に限定されず、発電システム１００は、第１反応プロセス群１０１と、第２反応プロセス群１０２とに加えて、第３反応プロセス群と、第４反応プロセス群とを有してもよい。第３及び第４反応プロセス群の構成は、第２反応プロセス群１０２の構成と同様であってもよい。

【0063】

第１反応プロセス群１０１における反応塔１の構造として、ジャケット構造、シェルアンドチューブ構造及び並行平板構造のうちの一つを選択してもよい。第２反応プロセス群１０２における反応塔３の構造として、ジャケット構造、シェルアンドチューブ構造及び並行平板構造のうちの一つを選択してもよい。第３及び第４反応プロセス群の反応塔の構造として、ジャケット構造、シェルアンドチューブ構造及び並行平板構造のうちの一つを選択してもよい。

【0064】

本実施形態では、熱交換型の反応容器が反応塔１、３として用いられている。熱交換型の反応容器は、断熱型の反応容器と比較して、高濃度の製品ガスを生成することができる。断熱型では、単純な反応容器に触媒を大量に詰めて、化学平衡の上限に沿って反応を進行させるが、高濃度の製品ガスを生成するためには、多くの反応容器を必要とする。これに対して、熱交換型の反応容器では、一つの反応容器で高濃度の製品ガスを生成することができる。

【0065】

実施形態では、熱媒体ヒーター５によって加熱された熱媒体は、反応塔３を通った後、反応塔１を通り、ボイラー６の内部配管５１内に流入するが、これに限定されない。熱媒体ヒーター５によって加熱された熱媒体は、反応塔１を通った後、反応塔３を通り、ボイラー６の内部配管５１内に流入してもよい。また、熱媒体ヒーター５によって加熱された熱媒体は、第４反応プロセス群における反応塔、第３反応プロセス群における反応塔、反
応塔３、反応塔１の順序で各反応塔を通った後、ボイラー６の内部配管５１内に流入してもよい。また、熱媒体ヒーター５によって加熱された熱媒体は、反応塔１、反応塔３、第３反応プロセス群における反応塔、第４反応プロセス群における反応塔の順序で各反応塔を通った後、ボイラー６の内部配管５１内に流入してもよい。

【0066】

実施形態では、反応塔を２つ備えているが、反応塔の数は、１段でも３段でも４段でも何段でもよい。また、実施形態では、熱媒体に熱媒油又は水を用いたが、熱媒体は、使用温度、使用設備などの使用条件を考慮して溶融塩や高圧水などといった、使用条件に適した物質を用いてもよい。また、ボイラー６内に供給される水は、例えばボイラー水であってもよく、ボイラー６内に供給される水に運用上必要な薬剤を投入してもよい。また、反応塔で行われる反応が不可逆反応である場合にも発電システム１００は用いられてもよい。

【0067】

また、上記で説明した各処理は、発電システムの一部としての生成装置又は運転装置などとして捉えてもよい。また、上記で説明した各処理は、発電方法、生成方法又は運転方法などとして捉えてもよい。上記で説明した各処理ないし機能の少なくとも一部を有する生成システムや運転システムとして捉えてもよい。なお、上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

【符号の説明】

【0068】

１，３・・反応塔；２，４・・ガス冷却用熱交換器；５・・熱媒体ヒーター；６・・ボイラー；７，８・・気液分離器；９・・原料ガス供給部；１０・・飽和蒸気発電機；１１・・分離部；１２・・貯留タンク；１３・・製品ガス経路；１４・・熱媒体循環ポンプ；１５，１６・・調整弁；１７Ａ，１７Ｂ・・チラー；１８・・圧力調整弁；２１・・制御部；２２，２３・・測定センサ；３１・・ガスミキサー；３２，３５・・エコノマイザー；３３，３６・・ガス加熱器；３４，３７・・水加熱用熱交換器；３８・・ポンプ；３９・・デアレーター；４０・・低圧飽和蒸気供給部；４１・・セパレータ；４２・・排出弁；４３・・液体供給部；４４，４５・・熱媒体タンク；５１・・内部配管；５２・・液体タンク；６１・・ポンプ；６２・・分離膜モジュール；６３・・真空ポンプ；６４・・バッファタンク；６５・・コンプレッサ；６６・・分離膜；１００・・発電システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】