JP2016141868A

JP2016141868A - 排熱回収装置、発電システム、及び排熱回収方法

Info

Publication number: JP2016141868A
Application number: JP2015020273A
Authority: JP
Inventors: 章弘三田村; Akihiro Mitamura; 宏幸高波; Hiroyuki Takanami; 大暉四條; Daiki SHIJO
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2016-08-08
Also published as: TWI593870B; WO2016125649A1; TW201638457A

Abstract

【課題】海水を電気分解することにより次亜塩素酸を含有する電解処理水を生成する海水電解装置を有する発電プラントにおいて、海水電解装置における電気分解の効率を向上させるとともに、熱機関の低温域での排熱回収を可能とする。【解決手段】熱機関２から排出される流体を高温源とし、熱機関２の冷却に用いられる海水Ｍ１を低温源として発電する発電装置２９と、発電装置２９により加熱された海水Ｍ２を、海水を電気分解して次亜塩素酸を含む電解処理水Ｅを生成する海水電解装置６に供給する高温海水ライン３１と、を有する排熱回収装置１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、海水を電気分解して次亜塩素酸を含む電解処理水を生成する海水電解装置を有する排熱回収装置、発電システム、及び排熱回収方法に関する。

従来、海水を多量に使用する火力発電所、原子力発電所などの発電プラントにおいては、海水取水口や配管、復水器、各種冷却器などの海水と接する部分の藻類や貝類の付着繁殖が大きな問題となっている。
この問題を解決するために、天然の海水に電気分解を施すことで次亜塩素酸を生成し、次亜塩素酸を海水取水口中に注入することにより海洋生物の付着を抑制する海水電解装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開昭６１−５７２８７号公報

ところで、海水電解処理においては、海水の温度が低い場合に電気分解の効率が低下し、海水電解装置を運用する際のランニングコストが増加するという課題がある。
また、発電プラントにおいては、例えば、蒸気タービンから排出される低温蒸気や、熱機関の排熱回収ボイラから排出される排ガスが導入される排気ダクトなどの低温域の排熱回収が十分に行われていない。よって、この低温域の排熱回収を行うことによってエネルギー回収効率を向上させる余地があると考えられている。

この発明は、海水を電気分解することにより次亜塩素酸を含有する電解処理水を生成する海水電解装置を有する発電プラントにおいて、海水電解装置における電気分解の効率を向上させるとともに、熱機関の低温域での排熱回収を可能とする排熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、排熱回収装置は、熱機関から排出される流体を高温源とし、前記熱機関の冷却に用いられる海水を低温源として発電する発電装置と、前記発電装置により加熱された前記海水を、海水を電気分解して次亜塩素酸を含む電解処理水を生成する電解装置に供給する高温海水ラインと、を有することを特徴とする。

このような構成によれば、加熱された海水を用いて電気分解を行うことによって、電解装置における電気分解の効率を向上させることができる。また、熱機関から排出される流体が低温であっても、海水との温度差を用いて発電を行うことで、低温域での排熱回収が可能となる。

また、上記排熱回収装置において、前記電気分解装置で発生した水素を前記熱機関へ燃料として供給する水素供給ラインと、を有してよい。

このような構成によれば、電解装置にて副生成物として生じる水素を熱機関にて補助燃料として利用することができる。これにより、水素を希薄可燃限界濃度未満まで希釈する必要がなくなるため、設備建設費や維持費の低減を図ることができる。

また、上記排熱回収装置において、前記次亜塩素酸を含む電解処理水を海水取水口に注入する注入ラインと、を有してよい。

このような構成によれば、加熱された海水を電気分解して生成された温度の高い電解処理水を海水取水口に注入することによって、海水取水口における海洋生物の付着防止効果を高めることができる。

また、上記排熱回収装置において、前記熱機関から排出される窒素含有排水が導入される窒素処理槽と、前記注入ラインから分岐して前記電解処理水を前記窒素処理槽に注入する分岐ラインと、を有してよい。

このような構成によれば、窒素処理槽に導入される窒素含有排水に次亜塩素酸を含む電解処理水が注入されることによって、窒素含有排水に含まれる窒素成分を除去することができる。

また、本発明の第二の態様によれば、発電システムは、上記いずれかの排熱回収装置を備えることを特徴とする。

また、本発明の第三の態様によれば、排熱回収方法は、熱機関から排出される流体を高温源とし、前記熱機関の冷却に用いられる海水を低温源として発電する発電工程と、前記発電工程にて加熱された前記海水を、電気分解して電解処理水を生成する電解処理水生成工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、加熱された海水を用いて電気分解を行うことによって、電解装置における電気分解の効率を向上させることができる。また、熱機関から排出される流体が低温であっても、海水との温度差を用いて発電を行うことで、低温域での排熱回収が可能となる。

本発明の第一実施形態の排熱回収装置を有する発電プラントの系統図である。本発明の第一実施形態の変形例の排熱回収装置を有する発電プラントの系統図である。本発明の第二実施形態の排熱回収装置を有する発電プラントの系統図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の実施形態の排熱回収装置１を備える発電プラント１００について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の発電プラント１００は、例えば、ガスタービン３と蒸気タービン４とを組み合わせたコンバインドサイクル発電方式を採用した発電所であり、ガスタービン３、蒸気タービン４などから構成される熱機関２と、熱機関２において、冷却水として用いられる海水Ｍを取水する海水取水口５と、海水Ｍを電気分解する海水電解装置６（電気分解装置）と、排熱回収装置１と、を有している。

熱機関２は、ガスタービン３と、蒸気タービン４と、蒸気タービン４の回転駆動力により駆動されて発電される発電機８と、ガスタービン３の回転駆動力により駆動されて発電される発電機９と、を有している。
ガスタービン３は、天然ガスなどの燃料Ｆを燃やして動力を得る機関であり、空気を圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０で圧縮された空気中で燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の燃焼器１１と、高温高圧の燃焼ガスにより駆動するタービン１２と、を備えている。

ガスタービン３の排気出口には、ガスタービン３の排熱を利用して蒸気を発生し、蒸気タービン４へ供給する設備である排熱回収ボイラ１４（ＨＲＳＧ）が接続されている。排熱回収ボイラ１４で発生した蒸気は、蒸気タービン４に導入される。蒸気タービン４には、復水器１５（熱交換器）が設けられており、蒸気タービン４で膨張仕事をして駆動した後の蒸気を復水器１５に排出させて復水に凝縮し循環水ライン２７を介して排熱回収ボイラ１４に送られるようになっている。

排熱回収ボイラ１４のボイラ水には、腐食の要因となる酸素を除去するための脱酸素剤としてアンモニアが使用されている。よって、排熱回収ボイラ１４から排出されるボイラ排水Ｂは、アンモニア（ＮＨ_３）、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）等のアンモニア性窒素を含むアンモニア性窒素含有排水である。
ボイラ排水Ｂは、窒素処理槽１６に導入される。ボイラ排水Ｂは、窒素処理槽１６にて窒素が除去されたのち、排水ライン１７を介して放流される。

発電プラント１００は、排熱回収ボイラ１４から排出される流体である排ガスが導入される排気ダクト２０と、排気ダクト２０に導入された排ガスを大気へ放出する煙突２１と、を有している。排気ダクト２０に導入される排ガスの温度は、コンバインドサイクル発電方式の場合、排熱回収ボイラ１４の排熱回収効率に依存し、三重圧のもので１００℃程度、単圧のもので２００℃程度になる。

海水取水口５と熱機関２とは、海水ライン２２を介して接続されている。海水ライン２２には、海水ポンプ２６によって海水Ｍ１が導入される。海水ライン２２を介して取水された海水Ｍ１は、例えば、復水器１５に導入されて冷却水として使用される。冷却水として使用された海水Ｍ１は、排水ライン１７を介して放流される。

海水電解装置６は、電解槽２３と、直流電源装置２４と、を有している。海水電解装置６は、海水Ｍを電気分解することによって、次亜塩素酸（塩素、次亜塩素酸ナトリウム）を含む電解処理水Ｅを生成する装置である。電解槽２３は、複数の電極（図示せず）を有している。
電解槽２３の内部に配置される電極、特に、陽極としては、一般にチタン基板に白金を主体とした複合金属、即ち、白金主体コーティング材をコーティングしたものが使用されている。

直流電源装置２４は、海水Ｍの電気分解に供される電流を供給する装置であって、例えば、直流電源と定電流制御回路とを備える構成を採用することができる。直流電源は、直流電力を出力する電源であって、例えば交流電源から出力される交流電力を直流に整流して出力する構成であってもよい。
本実施形態の海水電解装置６は、海水Ｍを電解槽２３に一回のみ通すワンスルー方式としてもよいし、海水Ｍを循環させることによって、徐々に電解処理水Ｅの次亜塩素酸濃度を上昇させるリサイクル方式としてもよい。

ここで、海水電解装置６の作用について説明する。
海水Ｍが電解槽２３に導入されると、電解槽２３内の電極が海水Ｍに浸漬される。
電極間の海水Ｍ内を電流が流通することで海水Ｍに対して電気分解が施される。
即ち、陽極においては、下記（１）式に示すように、海水Ｍ中の塩化物イオンから電子ｅが奪われ酸化が起こり、塩素が生成される。
２Ｃｌ⁻ → Ｃｌ_２＋２ｅ⁻ …（１）

一方、陰極においては、下記（２）式に示すように、海水Ｍ中の水に電子が与えられて還元が起こり、水酸化イオンと水素ガスＨが生成される。
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → ２ＯＨ⁻ ＋Ｈ_２ …（２）

また、下記（３）式に示すように、陰極で生成された水酸化イオンは海水Ｍ中のナトリウムイオンと反応して水酸化ナトリウムが生成される。
２Ｎａ^＋＋２ＯＨ⁻ → ２ＮａＯＨ …（３）

さらに、（４）式に示すように、水酸化ナトリウムと塩素とが反応することにより、次亜塩素酸、塩化ナトリウム及び水が生成される。
Ｃｌ_２＋２ＮａＯＨ → ＮａＣｌＯ＋ＮａＣｌ＋Ｈ_２Ｏ …（４）

このように、海水Ｍの電気分解に基づいて、海洋生成物の付着に対して抑制効果を有する次亜塩素酸ナトリウムが生成される。
次亜塩素酸ナトリウムの濃度は、５００ｐｐｍ〜５，０００ｐｐｍとされることが好ましい。

海水電解装置６にて生成された電解処理水Ｅは、注入ライン２５を介して海水取水口５に注入される。電解処理水Ｅ（次亜塩素酸ナトリウム）が海水取水口５に注入されることによって、海水取水口５に対する海洋生物の付着を抑制することができる。即ち、本実施形態の海水電解装置６は、海洋生物付着防止装置としての機能を有する。

次に、本実施形態の排熱回収装置１について説明する。排熱回収装置１は、海水Ｍ１と熱機関２の排熱との温度差を用いて発電する発電装置である熱電変換装置２９と、海水Ｍ１を熱電変換装置２９に導入する海水分岐ライン３０と、熱電変換装置２９を通過して温度が上昇した海水Ｍ２を海水電解装置６に導入する高温海水ライン３１と、海水電解装置６にて生成された水素ガスＨを熱機関２に供給する水素供給ライン２８と、を有している。

熱電変換装置２９は、排気ダクト２０に設けられている。熱電変換装置２９は、熱電素子ユニット／熱電素子モジュール、バイナリ発電システム、ＯＲＣ発電システム（オーガニックランキンサイクル発電システム）などから構成される発電装置である。

熱電変換装置２９は、排気ダクト２０の内部に設けられている。熱電変換装置２９は、例えば、耐腐食性及び熱伝導率が高いセラミックなどを素材とする絶縁層で半導体素子を被覆した熱電素子ユニット／熱電素子モジュール等を用いて構成されている。これにより、排ガス中の硫黄分による低温腐食を防止しつつ確実に発電／熱回収が行える。

海水分岐ライン３０は、海水ライン２２から海水Ｍ１の一部を分岐して取り出すラインである。海水分岐ライン３０は、熱電変換装置２９に接続されている。即ち、海水ライン２２に導入された海水Ｍ１の一部は、海水分岐ライン３０を介して熱電変換装置２９に導入される。熱電変換装置２９に導入された海水Ｍ１は、例えば、５℃である。

高温海水ライン３１は、海水分岐ライン３０から導入されて熱電変換装置２９にて低温源として使用された海水Ｍ２を電解槽２３に導入するラインである。熱電変換装置２９を通過後の高温（例えば１０℃）の海水Ｍ２は、電解原水として電解槽２３に供給される。

熱電変換装置２９においては、排熱回収ボイラ１４から煙突２１に送られる排ガスを高熱源、海水分岐ライン３０から導入される海水Ｍ１を低熱源とし、低温の海水Ｍ１と高温の排ガスの温度差を利用したセーベック効果などによって発電を行う。

水素供給ライン２８は、海水電解装置６にて生成された水素ガスＨを補助燃料として熱機関２に導入するラインである。即ち、海水電解装置６と熱機関２とは水素供給ライン２８で接続されている。
熱機関２に導入された水素ガスＨは、例えば、ガスタービン３の燃料として用いることができる。即ち、天然ガスなどの燃料Ｆと共に、水素ガスＨをガスタービン３の燃焼器１１に導入することができる。また、熱機関２に導入された水素ガスＨは、燃料電池発電用の燃料として用いることもできる。

即ち、本実施形態の排熱回収装置１を用いた排熱回収方法は、熱電変換装置２９を用いた発電工程と、海水電解装置６を用いた電解処理水生成工程と、を有する。発電工程は、熱機関２の排熱回収ボイラ１４から排出される流体である排ガスを高温源とし、熱機関２の冷却に用いられる海水Ｍ１を低温源として発電する工程である。電解処理水生成工程は、発電工程にて加熱された海水Ｍ２を電気分解して電解処理水Ｅを生成する工程である。

上記実施形態によれば、加熱された海水Ｍ２を用いて電気分解を行うことによって、海水電解装置６における電気分解の効率を向上させることができる。
海水電解装置６において要求される海水Ｍの温度は、例えば、８℃〜４０℃であるため、海水Ｍの温度が５℃などとなる冬季や、海水温の低い地域においても、海水Ｍを加熱することによって海水電解装置６の安定した運転が可能となる。特に、海水電解装置６は、海水Ｍの温度が８℃以下になると、電解効率が著しく低下して低負荷の運転が要求されるため、海水Ｍの加熱は有効である。
また、熱機関２の排熱回収ボイラ１４から排出される排ガスが低温であっても、海水Ｍとの温度差を用いて発電を行うことで、低温域での排熱回収が可能となる。

また、海水電解装置６にて副生成物として生じる水素ガスＨを熱機関２にて補助燃料として利用することができる。これにより、水素を希薄可燃限界濃度未満まで希釈する必要がなくなるため、設備建設費や維持費の低減を図ることができる。

また、加熱された海水Ｍ２を電気分解して生成された温度の高い電解処理水Ｅを海水取水口５に注入することによって、海水取水口５における海洋生物の付着防止効果を高めることができる。

また、熱電変換装置２９において海水Ｍが加熱されることによる効果を説明する。
海水温度が低温域（例えば、５℃）になると、塩素過電圧が上昇し、陽極側で塩素だけでなく酸素が発生するようになる。酸素は、海水Ｍの温度が低下するに従って発生割合が増加する。

一方、陰極側においては、海水Ｍの温度に関わらず水素が発生するため、海水温度が低温域でない場合には海水電解により発生する気体はほぼ１００％が水素であり、水素ガスＨの爆発範囲４〜７５％からは外れており、電解槽２３内での爆発の可能性を排除することが可能である。
しかし、海水Ｍが低温域に入り、陽極より酸素発生が始まると、水素＋酸素のガスとなり、水温低下で酸素発生割合が増加すると、水素濃度が７５％以下に低下してしまい、爆発範囲に入る可能性がある。熱電変換装置２９により海水Ｍ１が加熱され、この加熱された海水Ｍ２を海水電解装置６に供給することにより、この可能性を低減することができる。

また、陽極側で発生させる酸素が、陽極側の表面コーティングに使用されている白金族系材料の一部の消耗を早めるため、酸素を発生させない様な海水温度域での運転は、電極寿命の観点からも有効である。

なお、上記実施形態では、電解槽２３に供給される海水Ｍは、熱電変換装置２９によって加熱された海水Ｍのみとしたが、海水温度が十分に高い場合はこれに限ることはない。例えば、海水ライン２２から、海水Ｍ１を直接電解槽２３に供給するラインを設けてもよい。
また、発電プラント１００の構成は、図１に示したような構成に限ることはなく、例えば、ガスタービンの軸と蒸気タービンの軸とを同軸となるように接続した一軸型コンバインドサイクル発電方式を採用した発電所としてもよい。

次に、第一実施形態の変形例の排熱回収装置１Ｂを有する発電プラント１００について説明する。
図２に示すように、第一実施形態の変形例の排熱回収装置１Ｂは、熱電変換装置２９Ｂが、熱機関２の蒸気タービン４から排出される流体である低温蒸気を冷却塔１８に送る低温蒸気ライン３３に取り付けられている。低温蒸気の温度は、例えば、２００℃である。

上記変形例によれば、蒸気タービン４から排出される低温蒸気が低温であっても、海水Ｍとの温度差を用いて発電を行うことで、低温域での排熱回収が可能となる。
なお、熱電変換装置２９は、排気ダクト２０や低温蒸気ライン３３のみならず、熱機関２から排出される流体を高温源として利用できれば、どのような場所に設置してもよい。
また、熱電変換装置２９は、複数個所に設置してもよい。例えば、排気ダクト２０と低温蒸気ライン３３の両方に設置して、更なる排熱回収効率の向上を図ってもよい。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の排熱回収装置１Ｃを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図３に示すように本実施形態の排熱回収装置１Ｃは、海水電解装置６と海水取水口５とを接続する注入ライン２５から分岐する分岐ライン３４を有している。分岐ライン３４は、電解処理水Ｅを窒素処理槽１６に導入するラインである。即ち、海水電解装置６にて生成された電解処理水Ｅは、注入ライン２５から分岐する分岐ライン３４を介して窒素処理槽１６に導入されて、ボイラ排水Ｂと混合される。

窒素処理槽１６には、ボイラ排水Ｂと電解処理水Ｅが導入されて、ボイラ排水Ｂ中に存在するアンモニアと次亜塩素酸とが溶液反応して窒素ガス（Ｎ_２）まで分解される。即ち、本実施形態の海水電解装置６は、アンモニア性窒素除去装置としての機能を有する。

上記実施形態によれば、窒素処理槽１６に導入されるボイラ排水Ｂに次亜塩素酸を含む電解処理水Ｅが注入されることによって、窒素含有排水に含まれる窒素成分を除去することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

１，１Ｂ，１Ｃ排熱回収装置
２熱機関
３ガスタービン
４蒸気タービン
５海水取水口
６海水電解装置（発電装置）
８，９発電機
１０圧縮機
１１燃焼器
１２タービン
１４排熱回収ボイラ
１５復水器
１６窒素処理槽
１７排水ライン
２０排気ダクト
２１煙突
２２海水ライン
２３電解槽
２４直流電源装置
２５注入ライン
２６海水ポンプ
２７循環水ライン
２８水素供給ライン
２９，２９Ｂ熱電変換装置
３０海水分岐ライン
３１高温海水ライン
３３低温蒸気ライン
３４分岐ライン
１００発電プラント
Ｂボイラ排水
Ｅ電解処理水
Ｆ燃料
Ｈ水素ガス
Ｍ，Ｍ１，Ｍ２海水

Claims

熱機関から排出される流体を高温源とし、前記熱機関の冷却に用いられる海水を低温源として発電する発電装置と、
前記発電装置により加熱された前記海水を、海水を電気分解して次亜塩素酸を含む電解処理水を生成する電解装置に供給する高温海水ラインと、を有する排熱回収装置。
前記電気分解装置で発生した水素を前記熱機関へ燃料として供給する水素供給ラインと、を有する請求項１に記載の排熱回収装置。
前記次亜塩素酸を含む電解処理水を海水取水口に注入する注入ラインと、を有する請求項１又は請求項２に記載の排熱回収装置。
前記熱機関から排出される窒素含有排水が導入される窒素処理槽と、
前記注入ラインから分岐して前記電解処理水を前記窒素処理槽に注入する分岐ラインと、を有する請求項３に記載の排熱回収装置。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の排熱回収装置を備える発電システム。
熱機関から排出される流体を高温源とし、前記熱機関の冷却に用いられる海水を低温源として発電する発電工程と、
前記発電工程にて加熱された前記海水を電気分解して電解処理水を生成する電解処理水生成工程と、を有する排熱回収方法。