特許 7572919 蒸気ボイラシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-16

(45)【発行日】2024-10-24

(54)【発明の名称】蒸気ボイラシステム

(51)【国際特許分類】

   F22D 1/20 20060101AFI20241017BHJP

   C25B 1/23 20210101ALI20241017BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20241017BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241017BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20241017BHJP

   F23J 15/00 20060101ALI20241017BHJP

   F23C 9/08 20060101ALI20241017BHJP

   C10L 3/08 20060101ALI20241017BHJP

【ＦＩ】

F22D1/20

C25B1/23

C25B1/042

C25B9/00 A

C25B15/08 304

F23J15/00 H

F23C9/08 500

C10L3/08

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021106686

(22)【出願日】2021-06-28

(65)【公開番号】P2023005023

(43)【公開日】2023-01-18

【審査請求日】2024-02-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】根本 亮

(72)【発明者】

【氏名】折田 久幸

(72)【発明者】

【氏名】杉政 昌俊

(72)【発明者】

【氏名】軍司 章

【審査官】河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２７５２７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０１６８７６３４（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５１１２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２０３０８７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００８００７６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２２Ｄ １／２０

Ｃ２５Ｂ １／２３

Ｃ２５Ｂ １／０４２

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ １５／０８

Ｆ２３Ｊ １５／００

Ｆ２３Ｃ ９／０８

Ｃ１０Ｌ ３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蒸気ボイラと、
二酸化炭素燃料化装置と、
前記蒸気ボイラから前記二酸化炭素燃料化装置に燃焼生成ガスを送る燃焼生成ガス流路と、
前記二酸化炭素燃料化装置から前記蒸気ボイラに変換ガスを送る変換ガス流路と、
前記二酸化炭素燃料化装置から前記蒸気ボイラに酸素ガスを送る酸素ガス流路と、を備え、
前記蒸気ボイラは、前記変換ガスを前記酸素ガスにより燃焼して前記燃焼生成ガスを生成し、
前記二酸化炭素燃料化装置は、前記燃焼生成ガスを還元し、前記変換ガスと前記酸素ガスとに分離し、
前記燃焼生成ガス、前記変換ガス及び前記酸素ガスは、前記蒸気ボイラ、前記二酸化炭素燃料化装置、前記燃焼生成ガス流路、前記変換ガス流路及び前記酸素ガス流路で構成される閉ループを循環する構成を有し、
前記蒸気ボイラの給水流路には、前記給水流路の給水に前記変換ガス及び前記酸素ガスの熱エネルギーのうち少なくともいずれか一つを与える熱交換器が設置され、
前記蒸気ボイラと前記二酸化炭素燃料化装置との間の前記燃焼生成ガス流路には、燃焼触媒ユニットが設置され、
前記蒸気ボイラと前記燃焼触媒ユニットとを接続する流路には、前記変換ガスの一部を合流させる変換ガスバイパス流路が接続されている、蒸気ボイラシステム。

【請求項2】

前記変換ガス流路には、前記蒸気ボイラの前記燃焼生成ガスの一部を合流させる燃焼生成ガスバイパス流路が接続されている、請求項１記載の蒸気ボイラシステム。

【請求項3】

前記燃焼触媒ユニットと前記二酸化炭素燃料化装置との間の前記燃焼生成ガス流路に水を供給する構成を有する、請求項１記載の蒸気ボイラシステム。

【請求項4】

前記変換ガス流路には、前記蒸気ボイラの前記燃焼生成ガスの一部を合流させる燃焼生成ガスバイパス流路が接続され、
前記燃焼触媒ユニットと前記二酸化炭素燃料化装置との間の前記燃焼生成ガス流路に水を供給する構成を有し、
前記変換ガス流路及び前記燃焼生成ガスバイパス流路のそれぞれには、冷却器が設置され、
前記冷却器で生ずる凝縮水を前記水として用いる構成を有する、請求項１記載の蒸気ボイラシステム。

【請求項5】

前記凝縮水の流路には、前記変換ガス及び前記酸素ガス並びに前記燃焼生成ガスバイパス流路を流れる前記燃焼生成ガスの熱エネルギーのうち少なくともいずれか一つを与える熱交換器が設置されている、請求項４記載の蒸気ボイラシステム。

【請求項6】

前記蒸気ボイラの前記給水流路には、前記給水に前記燃焼生成ガスバイパス流路を流れる前記燃焼生成ガスの熱エネルギーを与える熱交換器が設置されている、請求項２記載の蒸気ボイラシステム。

【請求項7】

前記変換ガス流路には、圧縮機が設置され、
前記燃焼生成ガスバイパス流路は、前記圧縮機の上流側に接続されている、請求項２記載の蒸気ボイラシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蒸気ボイラシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

地球温暖化防止のため、二酸化炭素（以下「ＣＯ_２」と表記する。）の排出を削減する技術の開発が進められている。その技術としては、ＣＯ_２を回収する技術、ＣＯ_２を貯留する技術、ＣＯ_２を変換して有効活用する技術等がある。

【0003】

ＣＯ_２を回収する技術としては、化学吸収法がある。アミン水溶液を用いて、排ガス中のＣＯ_２を吸収し、吸収したＣＯ_２をこの水溶液から放出させ、タンクなどにＣＯ_２を回収する。アミン水溶液は、ＣＯ_２を吸収する際に発熱し、ＣＯ_２を放出する際には加熱が必要となる。このため、アミン水溶液の冷却及び加熱をするためのエネルギーが必要であり、それらのエネルギーを削減することが課題である。

【0004】

また、回収したＣＯ_２を貯蔵する技術がある。回収したＣＯ_２を貯蔵箇所まで輸送し、地下深くに貯蔵用の穴を設け、ＣＯ_２を圧縮して貯蔵する。コスト低減、貯蔵した後の貯蔵状態の保持及び安全性等が課題である。

【0005】

ＣＣＳ（Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ）は、ＣＯ_２を回収する技術と回収したＣＯ_２を貯蔵する技術とを合わせたものである。ＣＣＳにおいては、上記課題があるため、回収したＣＯ_２を変換して有効活用する技術であるＣＣＵ（Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）の開発が進められている。

【0006】

例えば、ＣＯ_２をメタン（以下「ＣＨ_４」と表記する。）に変換する方法がある。この場合の化学反応は、次の反応式（１）で表される。

【0007】

ＣＯ_２＋４Ｈ_２ → ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ …反応式（１）
上記反応式（１）で必要になる水素（以下「Ｈ_２」と表記する。）は、次の反応式（２）で表される水の電気分解反応により得ることができる。

【0008】

２Ｈ_２Ｏ → ２Ｈ_２＋Ｏ_２ …反応式（２）
ＣＨ_４は、液化天然ガス（以下「ＬＮＧ」と表記する。）の主成分であり、ＬＮＧの代替として有効利用することができる。上記反応式（１）及び（２）で表される反応によって得られるＣＨ_４については、低コスト化が課題であり、ＬＮＧと同等程度にすることが求められている。

【0009】

電力分野では、化石燃料を燃焼する火力発電の比率を減らし、太陽光発電や風力発電の再生可能エネルギーの比率を増やすことでＣＯ_２を削減する取組みも進められている。

【0010】

近年、太陽光発電や風力発電の再生可能エネルギーの導入が増加し、発電量が日によっても時間帯によっても異なり、電力の供給過多が予測される場合、事前に再生可能エネルギーの受入れを抑制する事態が発生している。

【0011】

再生可能エネルギーの受入れ停止の間に発電をすると、余剰電力になるため、その活用方法の一つとして、上記反応式（２）で表される水の電気分解反応によるＨ_２の製造が考えられている。Ｈ_２を製造することができれば、上記反応式（１）で表されるようにＣＯ_２をＣＨ_４に変換し、燃料として再利用することができる。

【0012】

特許文献１には、炭化水素化合物を生成するための電解槽、逆水性ガスシフト反応器、およびフィッシャー・トロプシュ反応器で構成される、システムおよび方法が開示されている。

【0013】

ここで、逆水性ガスシフト反応器における反応は、ＣＯ_２をＣＯ（一酸化炭素）に変換する反応であり、下記反応式（３）で表される。

【0014】

ＣＯ_２＋Ｈ_２ → ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ …反応式（３）
また、フィッシャー・トロプシュ反応器における反応は、ＣＨ_４のような炭化水素を生成する反応であり、下記反応式（４）で表される。なお、この反応は、フィッシャー・トロプシュ法（Ｆｉｓｃｈｅｒ－Ｔｒｏｐｓｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ）として知られている。

【0015】

ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ_２ → Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２＋ｎＨ_２Ｏ …反応式（４）
ＣＯ_２の回収方法には、化石燃料の燃焼ガスから高圧でＣＯ_２を吸収しその後低圧にしてＣＯ_２を放出させて回収する圧力スウィング法、ＣＯ_２だけを膜に透過させて回収する膜分離法、アミン水溶液を用いてＣＯ_２を吸収しその後放出して回収するプロセス等がある。Ｈ_２は、再生可能エネルギーあるいは核燃料で得られる電気エネルギーを使用して水を電気分解することで製造する。

【0016】

特許文献２には、固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）ユニットにＣＯ２流を供給し、ＣＯを生成し、このＣＯを第一の合成ガス流にフィードバックし、それによって、第一の合成ガス流中のＣＯ濃度が高められる方法が開示されている。

【0017】

非特許文献１には、固体酸化物形電気分解セル（ＳＯＥＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ）を用いて、５００℃以上の高温下で二酸化炭素と水蒸気を同時に電気分解（共電解）し、水素と一酸化炭素に変換すること、この変換により得られたガス及び熱を利用してメタンを製造すること等が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【文献】特表２００８－５３３２８７号公報

【文献】特表２０１９－５０７７１８号公報

【非特許文献】

【0019】

【文献】燃料電池，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．４，ｐｐ．８１－８６（２０１５）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0020】

特許文献１及び２には、窒素を含まない閉空間における燃料の酸化及び燃焼生成ガスの還元については記載されていない。

【0021】

本発明の目的は、蒸気ボイラと二酸化炭素燃料化装置とを備え、燃料、酸素等が閉ループを循環する構成を有する蒸気ボイラシステムにおいて、エネルギー効率を向上し、かつ、二酸化炭素燃料化装置を小型化して二酸化炭素燃料化装置の導入コストを削減することにある。

【課題を解決するための手段】

【0022】

本発明の蒸気ボイラシステムは、蒸気ボイラと、二酸化炭素燃料化装置と、蒸気ボイラから二酸化炭素燃料化装置に燃焼生成ガスを送る燃焼生成ガス流路と、二酸化炭素燃料化装置から蒸気ボイラに変換ガスを送る変換ガス流路と、二酸化炭素燃料化装置から蒸気ボイラに酸素ガスを送る酸素ガス流路と、を備え、蒸気ボイラは、変換ガスを酸素ガスにより燃焼して燃焼生成ガスを生成し、二酸化炭素燃料化装置は、燃焼生成ガスを還元し、変換ガスと酸素ガスとに分離し、燃焼生成ガス、変換ガス及び酸素ガスは、蒸気ボイラ、二酸化炭素燃料化装置、燃焼生成ガス流路、変換ガス流路及び酸素ガス流路で構成される閉ループを循環する構成を有し、蒸気ボイラの給水流路には、給水流路の給水に変換ガス及び酸素ガスの熱エネルギーのうち少なくともいずれか一つを与える熱交換器が設置されている。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、蒸気ボイラと二酸化炭素燃料化装置とを備え、燃料、酸素等が閉ループを循環する構成を有する蒸気ボイラシステムにおいて、エネルギー効率を向上し、かつ、二酸化炭素燃料化装置を小型化して二酸化炭素燃料化装置の導入コストを削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】実施例１の蒸気ボイラシステムを示す全体構成図である。

【図2】実施例２の蒸気ボイラシステムを示す全体構成図である

【発明を実施するための形態】

【0025】

本開示は、蒸気ボイラシステムに関し、蒸気ボイラの燃焼器で発生する燃焼生成ガス（排ガス）を回収し、燃焼生成ガスに含まれる二酸化炭素を再燃料化する技術に関する。

【0026】

以下、実施例について、図面を用いて説明する。

【0027】

実施例においては、例えば医薬器具や食品容器の蒸気殺菌などに使用される蒸気ボイラから発生する二酸化炭素を再利用するシステムを対象に説明するが、これに限定されるものではなく、燃料の燃焼により二酸化炭素が発生する構成を有するものであれば適用することができる。

【実施例1】

【0028】

図１は、実施例１の蒸気ボイラシステムを示す全体構成図である。

【0029】

本図に示す蒸気ボイラシステムは、蒸気ボイラ１と、二酸化炭素燃料化装置２と、燃焼触媒ユニット３と、変換ガスタンク６と、酸素ガスタンク７と、制御装置１３と、を備えている。

【0030】

蒸気ボイラ１には、給水配管１５（給水流路）、蒸気配管１６（蒸気流路）、燃料ガス配管１７（燃料ガス流路）及び排ガス配管１８（燃焼生成ガス流路）が接続されている。給水配管１５は、外部から蒸気ボイラ１に水を供給する配管である。給水配管１５には、熱交換器１１－１及び熱交換器１１－２が設置されている。燃料ガス配管１７には、ガス流量調整弁１０－４が設置されている。排ガス配管１８には、ガス流量調整弁１０－５が設置されている。

【0031】

蒸気ボイラ１と二酸化炭素燃料化装置２とは、配管で接続されている。この配管の途中には、燃焼触媒ユニット３が設置されている。この配管は、蒸気ボイラ１において発生する排ガス配管１８から分岐された流路である。燃焼触媒ユニット３と二酸化炭素燃料化装置２との間の配管には、圧力計９－３、ガス流量計８－４及びガス分析計１２－２が設置されている。

【0032】

二酸化炭素燃料化装置２と変換ガスタンク６とは、配管（変換ガス流路）で接続されている。この配管の途中には、冷却器４－１、圧力計９－４及び圧縮機５－１がこの順に設置されている。

【0033】

二酸化炭素燃料化装置２と酸素ガスタンク７とは、配管（酸素ガス流路）で接続されている。この配管の途中には、冷却器４－２、圧力計９－５及び圧縮機５－２がこの順に設置されている。

【0034】

変換ガスタンク６と蒸気ボイラ１とは、配管（変換ガス流路）で接続されている。この配管の途中には、ガス流量調整弁１０－２及びガス流量計８－２がこの順に設置されている。

【0035】

酸素ガスタンク７と蒸気ボイラ１とは、配管で接続されている。この配管の途中には、ガス流量調整弁１０－１及びガス流量計８－１がこの順に設置されている。

【0036】

蒸気ボイラ１と燃焼触媒ユニット３とを接続する配管には、変換ガスタンク６からのバイパス配管（変換ガスバイパス流路）が接続されている。言い換えると、蒸気ボイラ１と燃焼触媒ユニット３とを接続する流路には、変換ガスの一部を合流させる変換ガスバイパス流路が接続されている。このバイパス配管の途中には、ガス流量調整弁１０－３及びガス流量計８－３がこの順に設置されている。なお、変換ガスバイパス流路は、変換ガスタンク６の上流側の変換ガス流路から分岐させてもよい。

【0037】

二酸化炭素燃料化装置２の構成要素であるＳＯＥＣの電極材料は、Ｏ_２によって劣化する。このため、蒸気ボイラ１から二酸化炭素燃料化装置２に送られてくる排ガス中にＯ_２が残存する場合に備え、蒸気ボイラ１から二酸化炭素燃料化装置２に向かう配管に燃焼触媒ユニット３が設けられているが、残存するＯ_２と反応する燃料成分が不足する場合がある。この場合に、燃焼触媒ユニット３の上流側に、変換ガスタンク６からのバイパス配管を介して、ＣＯ及びＨ_２等を含む変換ガスを供給し、残存するＯ_２と反応させることにより、Ｏ_２を除去することができる。

【0038】

変換ガスタンク６には、圧力計９－２及びガス分析計１２－１が設置されている。

【0039】

酸素ガスタンク７には、圧力計９－１が設置されている。また、酸素ガスタンク７には、外部から酸素を供給するための酸素供給配管１９が接続されている。酸素供給配管１９には、ガス流量調整弁１０－６が設置されている。

【0040】

二酸化炭素燃料化装置２、圧縮機５－１及び圧縮機５－２には、外部から系統電力１４が供給される。

【0041】

蒸気ボイラシステムにおいては、蒸気ボイラ１の排ガスを二酸化炭素燃料化装置２で燃料化する。そして、燃料化したガスは、変換ガスタンク６に封入可能な温度に冷却した後、圧縮して変換ガスタンク６に封入する。

【0042】

変換ガスタンク６に封入したガスは、蒸気ボイラ１の燃料として再利用される。すなわち、蒸気ボイラシステムは、燃焼と還元とを繰り返す循環システムである。

【0043】

蒸気ボイラ１は、燃料を酸素で燃焼し、その燃焼熱で水を加熱し、水蒸気を得る装置である。燃焼後のガス（排ガス）は二酸化炭素と水であり、その温度は２００℃～５００℃の高温である。また、燃料と酸素との比は一定の割合とし、安定した火炎を発生させるようにする。

【0044】

この燃焼ガスを二酸化炭素燃料化装置２に導入する。

【0045】

二酸化炭素燃料化装置２は、ＣＯ_２をＣＯに変換する装置である固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を含む。ＳＯＥＣは、電力を供給することによりＣＯ_２及びＨ_２Ｏを原料物質としてＣＯ及びＨ_２を生成する装置である。言い換えると、二酸化炭素燃料化装置２は、蒸気ボイラ１で発生する排ガスを還元する装置である。

【0046】

また、二酸化炭素燃料化装置２は、ＳＯＥＣで生成したＣＯ及びＨ_２から触媒反応によりＣＨ_４等を生成する装置を含むものであってもよい。

【0047】

さらに、二酸化炭素燃料化装置２は、ＣＯ_２を含むガスを原料として触媒反応等により直接ＣＨ_４等を生成する装置であってもよい。この場合は、二酸化炭素燃料化装置２は、ＳＯＥＣを含まなくてもよい。

【0048】

よって、二酸化炭素燃料化装置２は、ＣＯ又はＣＨ_４等を含むガスを生成する装置である。

【0049】

二酸化炭素燃料化装置２で生じるＣＯ及びＨ_２、又はＣＨ_４等（以下「変換ガス」という。）は、変換ガスタンク６に送られ貯留される。一方、二酸化炭素燃料化装置２で生じるＯ_２は、酸素ガスタンク７に送られ貯留される。よって、二酸化炭素燃料化装置２で生じるＣＯ、Ｈ_２、ＣＨ_４等は、蒸気ボイラ１の燃料として再利用される。同様に、二酸化炭素燃料化装置２で生じるＯ_２は、蒸気ボイラ１の酸化剤として再利用される。

【0050】

ＳＯＥＣは、高温で水を電気分解する装置である。ＳＯＥＣは、酸素極、電解質及び水素極の三層構造を有し、系統電力１４を用いてＨ_２Ｏから水素極にＨ_２を生成し、酸素極にてＯ_２を生成する。さらに、上記反応式（３）に示すように、ＣＯ_２とＨ_２の逆水性ガスシフト反応で、Ｈ_２Ｏ及びＣＯが生成される。

【0051】

ＳＯＥＣにおいては、ＣＯ_２の全量を反応させるわけではなく、一部が残存するため、水素極のガスは、Ｈ_２Ｏ、ＣＯと未反応のＨ_２、ＣＯ_２とが混合した状態となる。

【0052】

したがって、二酸化炭素燃料化装置２が実質的にＳＯＥＣのみで構成されている場合は、上記のＨ_２Ｏ、ＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２が変換ガスを構成する。二酸化炭素燃料化装置２で生成したＯ_２は、変換ガスと物理的に隔てられて排出されるため、変換ガスにはＯ_２は含まれない。

【0053】

二酸化炭素燃料化装置２の水の電気分解反応に必要とする電力と、逆水性ガスシフト反応による変換ガスの組成とは、ガスの温度に依存して変化する。二酸化炭素燃料化装置２における電気分解反応及び逆水性ガスシフト反応はともに、吸熱反応である。このため、二酸化炭素燃料化装置２では、内部のガス温度が低下しないように加熱することも必要になる。

【0054】

さらに、二酸化炭素燃料化装置２に供給する排ガスに酸素が含まれると、二酸化炭素燃料化装置２の水素極が酸化して劣化する。そこで、二酸化炭素燃料化装置２の上流に燃焼触媒ユニット３を設置し、排ガス中のＯ_２を除去することが望ましい。

【0055】

二酸化炭素燃料化装置２において生成される変換ガスは、二酸化炭素燃料化装置２の下流に設置された冷却器４－１により冷却され、圧縮機５－１で圧縮され、変換ガスタンク６に送られ、貯蔵される。一方、二酸化炭素燃料化装置２において生成されるＯ_２は、二酸化炭素燃料化装置２の下流に設置された冷却器４－２により冷却され、圧縮機５－２で圧縮され、酸素ガスタンク７に送られ、貯蔵される。

【0056】

冷却器４－１で冷却された変換ガスの流路圧力は、圧力計９－４により計測される。冷却器４－２で冷却されたＯ_２の流路圧力は、圧力計９－５により計測される。圧力計９－４、９－５の計測値は、制御装置１３に送信される。制御装置１３は、受信した圧力計９－４、９－５の計測値に基いて、圧縮機５－１及び圧縮機５－２の出力を制御する。これにより、変換ガス及びＯ_２の流路圧力を安定させることができる。

【0057】

変換ガスタンク６に貯蔵されている変換ガスと、酸素ガスタンク７に貯蔵されているＯ_２とを蒸気ボイラ１に再供給する。また、変換ガスタンク６の変換ガスは、燃焼触媒ユニット３にも供給し、蒸気ボイラ１からの排ガスに含まれるＯ_２の除去に利用する。

【0058】

蒸気ボイラ１に供給する変換ガスの流量は、ガス流量計８－２で計測する。燃焼触媒ユニット３に供給する変換ガスの流量は、ガス流量計８－３で計測する。蒸気ボイラ１に供給するＯ_２ガスの流量は、ガス流量計８－１で計測する。これらのガスの流量はそれぞれ、ガス流量調整弁１０－２、１０－３、１０－１の開度を調整することにより制御される。この制御は、制御装置１３により行う。

【0059】

なお、制御装置１３に対して各種の計測値のデータを送信する手段、及び制御装置１３から各種の制御信号を送信する手段は、無線でも有線でもよい。本図においては、破線で示している。

【0060】

蒸気ボイラ１に供給される変換ガス及びＯ_２ガスは、蒸気ボイラ１で安定した燃焼になる流量比とする。一方、燃焼触媒ユニット３に供給される変換ガスは、触媒燃焼後のガス中にＯ_２が残存しないようにする流量とする。

【0061】

このように、蒸気ボイラ１で生成されたＨ_２Ｏ及びＣＯ_２は、二酸化炭素燃料化装置２でＨ_２及びＣＯに燃料化され、再び蒸気ボイラ１に供給される。

【0062】

このように、定常運転時においては、システム内部のガスは、閉ループを循環する構成である。

【0063】

このような構成とすることにより、システムからの二酸化炭素の排出を実質的に零（０）にすることができる。

【0064】

本実施例においては、熱交換器１１－１の符号ａは、二酸化炭素燃料化装置２に接続された変換ガス流路の符号ａと接続している。熱交換器１１－１の符号ｂは、二酸化炭素燃料化装置２に接続された変換ガス流路の符号ｂと接続している。

【0065】

また、熱交換器１１－２の符号ｃは、二酸化炭素燃料化装置２に接続されたＯ_２ガス流路の符号ｃと接続している。熱交換器１１－２の符号ｄは、二酸化炭素燃料化装置２に接続されたＯ_２ガス流路の符号ｄと接続している。

【0066】

言い換えると、二酸化炭素燃料化装置２で生成された変換ガスは、熱交換器１１－１を経由して、蒸気ボイラ１の給水を加熱する。また、二酸化炭素燃料化装置２で生成されたＯ_２ガスは、熱交換器１１－２を経由して、蒸気ボイラ１の給水を加熱する。

【0067】

二酸化炭素燃料化装置２で生成した変換ガス及びＯ_２ガスの温度は、６００℃～１０００℃の高温である。

【0068】

これらの熱エネルギーを蒸気ボイラ１の給水配管１５に与えることにより、変換ガスの冷却器４－１およびＯ_２ガスの冷却器４－２における熱交換量を低減することができる。なお、熱交換器１１－１と熱交換器１１－２はどちらか一方だけでもよく、熱交換器１１－１ならば変換ガスの熱エネルギーを、熱交換器１１－２ならばＯ_２ガスの熱エネルギーを、蒸気ボイラ１の給水配管１５に与えることになる。

【0069】

このように、二酸化炭素燃料化装置２の変換ガスとＯ_２ガスの熱エネルギーを、蒸気ボイラ１の給水配管１５に与えることにより、蒸気ボイラ１で得られる蒸気流量を増加させることができる。また、蒸気ボイラ１で同量の蒸気流量を得る場合、蒸気ボイラ１に供給する変換ガスとＯ_２ガスの流量を減らすことができる。これにより、蒸気ボイラ１で生成したＨ_２ＯとＣＯ_２を、二酸化炭素燃料化装置２でＨ_２とＣＯに燃料化して再び蒸気ボイラに供給するガスの閉循環システムにおいて、二酸化炭素燃料化装置２が供給するガス流量を減らすことができ、二酸化炭素燃料化装置２の小型化と、上記反応式（２）の水の電気分解に必要とする電力の低減とを実現することができる。これにより、システム全体のエネルギー消費量を抑制することが可能となる。すなわち、ランニングコストを低減することができる。

【0070】

さらに、燃焼生成ガスの削減により、二酸化炭素燃料化装置を小型化できるため、既存の蒸気ボイラに、ＳＯＥＣ等を含む二酸化炭素燃料化装置を付加する際の導入コストを低減することができる。

【実施例2】

【0071】

図２は、実施例２の蒸気ボイラシステムを示す全体構成図である。

【0072】

本図の説明においては、実施例１と同じ構成については省略する。

【0073】

本図においては、蒸気ボイラ１と燃焼触媒ユニット３とを接続する配管の途中に、分岐配管としてバイパス配管２０（燃焼生成ガスバイパス流路）が設置されている。バイパス配管２０は、冷却器４－１と圧縮機５－１との間の配管に接続されている。言い換えると、バイパス配管２０は、圧縮機５－１の上流側に接続されている。更に言い換えると、変換ガス流路には、蒸気ボイラ１の燃焼生成ガスの一部を合流させる燃焼生成ガスバイパス流路が接続されている。これにより、蒸気ボイラ１の排ガスが二酸化炭素燃料化装置２で生成した変換ガスに混合されるようにしている。なお、燃焼生成ガスバイパス流路は、燃焼触媒ユニット３と二酸化炭素燃料化装置２とを接続する配管の途中から分岐し、冷却器４－１と圧縮機５－１との間の配管に接続してもよい。

【0074】

バイパス配管２０には、ガス流量計８－５、圧力計９－６、冷却器４－３及びガス流量調整弁１０－７がこの順に設置されている。

【0075】

バイパス配管２０を設けることにより、二酸化炭素燃料化装置２に供給するガス流量を低減することができ、二酸化炭素燃料化装置２を小型化することができる。

【0076】

また、閉空間において燃料を酸素で燃焼する場合、窒素がないため、燃焼生成ガスの温度が高くなる。このため、燃料及び酸素のみで完全燃焼した場合には、蒸気ボイラ１の燃焼器を構成する材料の耐熱温度を超えるおそれがある。

【0077】

バイパス配管２０を設けることにより、二酸化炭素等を含む燃焼生成ガスが変換ガスに混合されるため、蒸気ボイラ１における燃焼温度を低くすることができ、蒸気ボイラ１の燃焼器を構成する材料の耐熱温度以下で稼働することができる。

【0078】

バイパス配管２０のガス流量は、制御装置１３がガス流量計８－４、８－５の計測値に基いてガス流量調整弁１０－７の開度を調整することにより制御する。また、制御装置１３は、圧力計９－３、９－６の計測値に基いてガス流量調整弁１０－７の開度を調整してもよい。

【0079】

蒸気ボイラ１の排ガス成分は、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２であり、二酸化炭素燃料化装置２に供給するＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の流量もバイパスによって減少する。二酸化炭素燃料化装置２は、上記反応式（２）およびＣＯ_２の電気分解反応でＨ_２およびＣＯを生成する必要があり、その原料となるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が不足する。

【0080】

そこで、燃焼触媒ユニット３と二酸化炭素燃料化装置２との間の燃焼生成ガス流路に水を供給する構成を有することが望ましい。

【0081】

本実施例においては、燃焼生成ガス流路に供給する水として、二酸化炭素燃料化装置２の下流の変換ガスを冷却する冷却器４－１で回収される凝縮水（ドレン）を有効利用するようにしている。回収経路は、図中、太い破線で示している。

【0082】

冷却器４－１で回収した凝縮水は、ドレンタンク２１に貯蔵し、給水ポンプ２２でガス流量計８－４の下流に供給するようにしている。水流は、水流量計２５で計測し、その計測値に基いて制御装置１３が水量調整弁２４の開度を調整する。

【0083】

また、バイパス配管２０の冷却器４－３で回収される凝縮水（ドレン）も有効利用することができる。同様に、冷却器４－３で回収した凝縮水は、ドレンタンク２１に貯蔵するようにしている。この場合の回収経路も、図中、太い破線で示している。

【0084】

なお、給水ポンプ２２の前後の配管に循環経路２３を設けることにより、給水ポンプ２２がインバータ方式でなくても流量を調整することができる。

【0085】

ドレンタンク２１から二酸化炭素燃料化装置２に供給する水は、蒸気にして供給することが望ましい。外部電力を使って蒸気にすると、エネルギー消費量の低減にならないため、二酸化炭素燃料化装置２からの高温の変換ガス若しくはＯ_２ガス、又はバイパス配管２０の高温ガスの熱エネルギーを利用して加熱するようにしている。

【0086】

本実施例においては、熱交換器１１－４の符号ｐは、二酸化炭素燃料化装置２に接続された変換ガス流路の符号ｐと接続している。熱交換器１１－１の符号ｑは、二酸化炭素燃料化装置２に接続された変換ガス流路の符号ｑと接続している。

【0087】

また、熱交換器１１－５の符号ｒは、二酸化炭素燃料化装置２に接続されたＯ_２ガス流路の符号ｒと接続している。熱交換器１１－５の符号ｓは、二酸化炭素燃料化装置２に接続されたＯ_２ガス流路の符号ｓと接続している。

【0088】

また、熱交換器１１－６の符号ｔは、バイパス配管２０の符号ｔと接続している。熱交換器１１－６の符号ｕは、バイパス配管２０の符号ｕと接続している。

【0089】

言い換えると、ドレンタンク２１から二酸化炭素燃料化装置２に供給する水は、熱交換器１１－４、１１－５、１１－６により加熱され、水蒸気となる。

【0090】

このような構成とすることにより、二酸化炭素燃料化装置２の下流の高温の変換ガス及びＯ_２ガスの熱エネルギーを回収し、冷却器４－１、４－３で回収される凝縮水（ドレン）を加熱して水蒸気とするエネルギーとして利用することができる。

【0091】

熱交換器１１－４、１１－５、１１－６は、すべてを設置することが性能面からは望ましいが、これらのうちのいずれか一つ又は二つ設置するものであってもよい。

【0092】

さらに、給水配管１５には、熱交換器１１－３が設置されている。熱交換器１１－３の符号ｅは、バイパス配管２０の符号ｅと接続している。熱交換器１１－３の符号ｆは、バイパス配管２０の符号ｆと接続している。これにより、熱交換器１１－３は、蒸気ボイラ１の排ガスの熱で蒸気ボイラ１の給水を加熱することができる。

【0093】

二酸化炭素燃料化装置２に供給するガスは、水あるいは蒸気の供給によりガス流量が増加するが、実施例１のようにバイパス配管２０を設置しない場合よりもガス流量が少なく、二酸化炭素燃料化装置２を更に小型化することができる。

【0094】

実施例１と同様に、蒸気ボイラ１の給水配管１５に熱交換器１１－１、１１－２を設置している。

【0095】

熱交換器１１－１の符号ａは、二酸化炭素燃料化装置２に接続された変換ガス流路の符号ｑの下流の符号ａと接続している。熱交換器１１－１の符号ｂは、二酸化炭素燃料化装置２に接続された変換ガス流路の符号ｂと接続している。

【0096】

熱交換器１１－２の符号ｃは、二酸化炭素燃料化装置２に接続されたＯ_２ガス流路の符号ｓの下流の符号ｃと接続している。熱交換器１１－２の符号ｄは、二酸化炭素燃料化装置２に接続されたＯ_２ガス流路の符号ｄと接続している。

【0097】

熱交換器１１－１、１１－２、１１－３は、すべてを設置することが性能面からは望ましいが、これらのうちのいずれか一つ又は二つ設置するものであってもよい。言い換えると、蒸気ボイラ１の給水流路には、給水流路の給水に、変換ガス流路を流れる変換ガス、酸素ガス流路を流れる酸素ガス及び燃焼生成ガスバイパス流路を流れる燃焼生成ガスの熱エネルギーのうち少なくともいずれか一つを与える熱交換器が設置されている。

【0098】

本実施例においては、二酸化炭素燃料化装置２の供給するガス流量を、実施例１のシステムより更に少なくすることができ、実施例１のシステムより二酸化炭素燃料化装置２を更に小型化できる。これにより、二酸化炭素燃料化装置２で消費する電気エネルギーを更に低減することができる。

【符号の説明】

【0099】

１：蒸気ボイラ、２：二酸化炭素燃料化装置、３：燃焼触媒ユニット、４－１、４－２、４－３：冷却器、５－１、５－２：圧縮機、６：変換ガスタンク、７：酸素ガスタンク、８－１、８－２、８－３、８－４、８－５：ガス流量計、９－１、９－２、９－３、９－４、９－５、９－６：圧力計、１０－１、１０－２、１０－３、１０－４、１０－５、１０－６、１０－７：ガス流量調整弁、１１－１、１１－２、１１－３、１１－４、１１－５、１１－６：熱交換器、１２－１、１２－２：ガス分析計、１３：制御装置、１４：系統電力、１５：給水配管、１６：蒸気配管、１７：燃料ガス配管、１８：排ガス配管、１９：酸素供給配管、２０：バイパス配管、２１：ドレンタンク、２２：給水ポンプ、２３：循環経路、２４：水量調整弁、２５：水流量計。

【図1】

【図2】