JP2008121668A - 発電用ガスタービンを利用した発電所並びにｃｏ２排出量の低減法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＯ２排出量を削減するための発電所及び方法を提供する。
【解決手段】本発電所及び方法は、全体的には、ガスタービンの圧縮経路の途中において再循環ＣＯ２リッチ煙道ガスの一部を抽出する段階と、分離ユニットでＣＯ２を除去する段階とを含む。ＣＯ２リッチ煙道ガスの残りの部分（すなわち、分離ユニットに供給されなかった再循環煙道ガスの部分）は、追加の圧縮機−エキスパンダーから流入する新鮮空気と混合され、次に圧縮経路に供給して戻される。その結果、煙道ガスの再循環によって、作動流体中のＣＯ２濃度が増加し、ＣＯ２分圧が一段と高まる。ＣＯ２の濃度及び分圧が高まると、ＣＯ２を除去するためのエネルギーペナルティが低減するのが観察される。さらに、運転中にＣＯ２分離ユニットに供給される体積が、減少する。従って、分離装置の寸法を小さくすることができ、同時に分離プロセスのために必要なエネルギーを減少させることができる。
【選択図】図１
【解決手段】本発電所及び方法は、全体的には、ガスタービンの圧縮経路の途中において再循環ＣＯ２リッチ煙道ガスの一部を抽出する段階と、分離ユニットでＣＯ２を除去する段階とを含む。ＣＯ２リッチ煙道ガスの残りの部分（すなわち、分離ユニットに供給されなかった再循環煙道ガスの部分）は、追加の圧縮機−エキスパンダーから流入する新鮮空気と混合され、次に圧縮経路に供給して戻される。その結果、煙道ガスの再循環によって、作動流体中のＣＯ２濃度が増加し、ＣＯ２分圧が一段と高まる。ＣＯ２の濃度及び分圧が高まると、ＣＯ２を除去するためのエネルギーペナルティが低減するのが観察される。さらに、運転中にＣＯ２分離ユニットに供給される体積が、減少する。従って、分離装置の寸法を小さくすることができ、同時に分離プロセスのために必要なエネルギーを減少させることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、広義には発電に化石燃料を利用する発電所でのＣＯ２排出量を削減するための方法に関する。
化石燃料を用いた発電所からの二酸化炭素（ＣＯ２）排出は、京都議定書やＥＵ域内排出量取引制度 （EU Emission Trading Scheme）のような国内及び国際規制によって一段と厳しく制限されるようになっている。ＣＯ２排出コストの増加に伴って、ＣＯ２排出量の削減は経済的な発電にとって重要である。今日のＣＯ２除去技術は、発電所の大気煙道ガス流のＣＯ２除去を削減することに焦点が当てられており、発電所には、非常に大型で高価なエネルギー大量消費型のＣＯ２除去ユニットが設けられている。
ガスタービンプラントはブレイトンサイクルで運転され、一般に圧縮機を用いて燃焼室の上流で流入空気を圧縮する。次いで、燃料を導入して点火して高温高圧ガスを発生させ、ガスはタービンセクションに入って膨張する。タービンセクションは発電機及び圧縮機の双方に動力を供給する。燃焼タービンは、原油から天然ガスに至る広範な液体及び気体燃料を燃焼させることもできる。
かかる発電所からのＣＯ２排出量を削減するために現在採用されている方法としては、一般に３通りの方法がある。第１の方法は、排ガスから空気で燃焼した後のＣＯ２を回収するもので、燃焼中に生成したＣＯ２を吸収法、吸着法、膜分離、隔膜、超低温法又はこれらの組合せによって排ガスから除去する。一般に燃焼後回収と呼ばれるこの方法は、通常、発電所の大気排ガスからＣＯ２排出量を削減することに焦点が当てられている。第２の方法として、燃料の炭素含量を減少させることが挙げられる。この方法では、燃料を燃焼させる前にまずＨ２及びＣＯ２へと転化させる。こうして、ガスタービンに導入される前に燃料の炭素分を回収することができ、ＣＯ２の生成が避けられる。第三の方法としては、オキシ燃料法（酸素燃料法ともいう）がある。この方法では、空気ではなく純粋な酸素を酸化剤として使用して二酸化炭素と水からなる煙道ガスを得る。
燃焼後ＣＯ２回収法の主な短所は、煙道ガス中のＣＯ２濃度が低い（天然ガス燃料発電所では通例３〜４体積％）のでＣＯ２分圧が低く、ＣＯ２の除去に高価な大型装置が必要とされることである。煙突でのＣＯ２濃度、したがって分圧は、煙道ガスをガスタービンの圧縮機に部分的に再循環させることによって高めることができるが（これに関しては、例えば米国特許第５８３２７１２号参照）、それでもかなり低い（約６〜１０体積％）。燃焼後回収の形態に付随する低いＣＯ２分圧及び大きいガス体積は、ＣＯ２除去に関連して、非常に大形で高価な装置に加えて非常に高いエネルギーコストをもたらす。
米国特許第５８３２７１２号明細書
そこで、発電所からＣＯ２を効率的に除去するための改良法に対するニーズが存在している。
本明細書に開示するのは、ガスタービンを使用する発電所及び発電に化石燃料を利用する発電所におけるＣＯ２排出量を削減する方法である。ガスタービンを備える発電所でエネルギーを発生させる方法は、低圧圧縮機及び高圧圧縮機を含む２以上の段を有する圧縮機セクションと、圧縮機セクションと流体連通した燃焼セクションと、燃焼セクションと流体連通したエキスパンダーセクションとを備えるガスタービンから煙道ガスを発生させる段階と、煙道ガスを低圧圧縮機に再循環する段階と、圧縮再循環煙道ガスの一部を二酸化炭素（ＣＯ２）分離器に分流し、残りの部分を高圧圧縮機に分流する段階と、ＣＯ２分離器で分流部分からＣＯ２を分離してＣＯ２リーンガスを生成する段階と、再循環煙道ガスの残りの部分を高圧圧縮機に供給する段階とを含む。
ＣＯ２排出量が低減するように構成された発電所は、（ａ）（ｉ）高圧圧縮機と流体連通した低圧圧縮機を含む２以上の圧縮段を有する圧縮機セクションと、（ｉｉ）圧縮ガスを導入するための第１の入口、燃料を導入するための第２の入口及び高温煙道ガスを吐出するための出口を有する燃焼器と、（ｉｉｉ）高温煙道ガスを導入するための入口及び低圧圧縮機と流体連通した出口を有する主エキスパンダーセクションとを備えるガスタービンと、（ｂ）低圧圧縮機から煙道ガスの一部を受け取るために低圧圧縮機と流体連通したＣＯ２分離器であって、ＣＯ２リーンガスを追加のエキスパンダーに供給するＣＯ２分離器とを備えており、煙道ガスの残りの部分は、高圧圧縮機と流体連通した低圧圧縮機を介して高圧圧縮機に直接供給される。
別の実施形態では、ＣＯ２排出量が低減するように構成された発電所は、（ａ）（ｉ）高圧圧縮機と流体連通した低圧圧縮機を含む２以上の圧縮段を有する圧縮機セクションと、（ｉｉ）高圧圧縮機からの圧縮ガスを導入するための第１の入口、燃料を導入するための第２の入口及び高温煙道ガスを吐出するための出口を有する燃焼器と、（ｉｉｉ）吐出高温煙道ガスを導入するための入口及び低圧圧縮機と流体連通した出口を有する主エキスパンダーセクションとを備えるガスタービンと、（ｂ）煙道ガスの一部を処理するために低圧圧縮と流体連通したＣＯ２分離器であって、その下流の加湿器にＣＯ２リーンガスを供給して加湿・再生煙道ガスを生成するためのＣＯ２分離器とを備えており、加湿煙道ガスで、高圧圧縮機と流体連通した出口を有する第２のエキスパンダー／圧縮機ユニットを駆動し、煙道ガスの残りの部分は、高圧圧縮機と流体連通した低圧圧縮機を介して高圧圧縮機に直接供給される。
別の実施形態では、発電所でエネルギーを発生させる方法は、圧縮機セクションと流体連通した燃焼セクション及び燃焼セクションと流体連通したエキスパンダーを備えるガスタービンで煙道ガスを発生させる段階と、煙道ガスを低圧圧縮機に再循環する段階と、再循環煙道ガスの一部を圧縮機の下流で二酸化炭素（ＣＯ２）分離器に分流し、残りの部分を燃焼器に分流する段階と、ＣＯ２分離器で分流煙道ガス部分からＣＯ２を分離してＣＯ２リーンガスを生成する段階と、再循環煙道ガスの残りの部分を燃焼器に供給する段階とを含む。このシステムは２以上の圧縮段を備えるガスタービンで使用することができるし、この実施形態は単段圧縮機ユニットを備えたガスタービンにも適用することができ、圧縮機の下流での流体抽出及び再注入が可能となる。
本発明の様々な特徴についての以下の詳細な説明及び実施例を参照することによって本発明の理解を深めることができよう。添付の図面では、図面全体を通して同様の部品は同一の符号で表した。
本発明は、発電用にガスタービンを利用する発電所で高圧・高濃度のＣＯ２を分離することによってＣＯ２排出量を削減する方法を提供する。以下で詳しく説明するように、高いガス圧力は、ガスタービンの圧縮経路の途中で再循環ＣＯ２リッチ煙道ガスを抽出することによって達成される。その結果、煙道ガスの再循環によって、作動流体中のＣＯ２濃度が増加し、ＣＯ２分圧が一段と高まる。ＣＯ２の濃度及び分圧が高まると、ＣＯ２を除去するためのエネルギーペナルティが低減するのが観察される。さらに、加圧下でＣＯ２を分離するので、処理すべき体積流量が大気圧プロセスに比べて格段に減少する。従って、分離装置を小型化できるだけでなく、分離に要するエネルギーを低減することができる。さらに、以下に説明するように、ＣＯ２分圧の大幅な増大によって、例えば吸着及び膜分離などの他のＣＯ２回収法の選択も可能となる。
本プロセスでは、ガスタービンから抽出した流体の一部（例えば１０〜７０％）のみを中間冷却のためにＣＯ２分離器に流し、残りの部分は高圧圧縮機及び燃焼器に戻される。これによって、ガスタービン作動流体中のＣＯ２の分圧が高まるだけでなく、ＣＯ２分離器で処理すべきガスの体積が減少する。サイクル構成は、すべてのサイクル煙道ガスをＣＯ２分離器を介してシステムから排出するというもので、最大限のＣＯ２回収（好ましくは８０％超）が得られる。燃焼用の新鮮空気は別個の圧縮機ユニットで圧縮され、圧縮機入口からガスタービンサイクルに入る。こうして、分離器に導入される前の再循環ＣＯ２リッチ煙道ガスの希釈が回避される。新鮮空気の圧縮に要する仕事量を最小限にするために、ＣＯ２分離器からの圧縮ＣＯ２リーンガスを別個のエキスパンダーに供給してもよく、この別個のエキスパンダーは必須ではないが好ましくは空気圧縮機と機械的に接続している。好適には、エキスパンダーで発生する仕事量を最大限にするため、様々な熱回収法を用いることもできる。例えば、圧縮機を出る新鮮空気流とエキスパンダーに入るクリーン煙道ガス流との間で熱交換器を用いてもよい。別の好適な構成では、熱回収のための熱交換は、分離器に供給されるＣＯ２リッチ煙道ガスと分離器から出るＣＯ２リーン煙道ガスとの間で行ってもよい。
この方法の変法では、高いガス圧力は、圧縮機ユニットの下流で再循環ＣＯ２リッチ煙道ガスを抽出することによって達成される。その結果、煙道ガスの再循環によって、作動流体中のＣＯ２濃度が増加し、ＣＯ２分圧が一段と高まる。ＣＯ２の濃度及び分圧が高まると、ＣＯ２を除去するためのエネルギーペナルティが低減するのが観察される。さらに、加圧下でＣＯ２を分離するので、処理すべき体積流量が大気圧プロセスに比べて格段に減少する。従って、分離装置を小型化できるだけでなく、分離に要するエネルギーを低減することができる。
ここで図１を参照すると、ガスタービン１２を備える例示的な発電所１０が示してある。ガスタービン１２は一般に、適宜２以上の圧縮段（例えば、高圧圧縮機１６と流体連通した低圧圧縮機１４）を含む圧縮機セクション１３と、燃焼室１８と、圧縮機１４，１６及び発電用の発電機２６を駆動するのに必要なエネルギーを供給するための１以上のエキスパンダーセクション２１（例えば、燃焼ガスが送られる高圧エキスパンダー２２とその下流の低圧エキスパンダー２４）とを備える。始動時に、圧縮機セクション１３で圧縮流体（例えば空気又は酸素濃縮空気など）を燃焼器１８に供給し、燃焼器１８で燃料２０と混合して燃焼させ、特に水とＣＯ２を含むガスを生成する。エキスパンダー排出ガスのエネルギーを熱回収ボトミングサイクル（例えば蒸気ランキンサイクルなど）に使用すれば、例えば熱回収及び蒸気発生器２８で効率を高めることができ、熱は蒸気の形態で回収される。ガスタービン出口流は完全に又は部分的に再循環することができる。部分的再循環は、過渡運転（始動、負荷変化、停止）に使用できる。この場合、ガスタービン煙道ガスを出たガスの一部又は全部を抽気し、所望の過渡運転に使用する。上記煙道ガス（符号３２で示す）をまず凝縮器３０で冷却して生成した液体水を除去した後、低圧圧縮機１４に再循環する。この装置は好適には微粒子及びガス夾雑物を捕捉するように構成してもよい。以下で詳しく説明するように、煙道ガス再循環３２の一部３４は圧縮されて分離器３６に送られる（例えば、１０〜７０％）が、残りの部分３８はさらに高圧圧縮機１６及び燃焼器１８に再循環して作動流体中のＣＯ２濃度をさらに増加させる。
運転中、再循環煙道ガス３２は第１の圧縮機１４で約２〜２０バールに圧縮される。ＣＯ２分離器３６に送られた圧縮ガスの部分は、追加の熱交換器又はトリム冷却器４２で適宜冷却してもよい。再循環した残りの部分（蒸気３８）は、追加の圧縮機４８を通してサイクルに導入される新鮮空気と混合される。この混合気は中間冷却器５１で適宜冷却してもよい。中間冷却の基本原理では、最終的に所望の圧力に（つまり圧縮機１６で）圧縮する前に、ガスを部分的に圧縮してから冷却する。こうして中間冷却器５１で圧縮仕事量を低減して、循環プロセスの出力を増大させる。ＣＯ２分離は、最終的な圧縮の前に行われる。適宜、トリム冷却器４２でガスをＣＯ２分離に望ましい温度域まで冷却する。好都合なことに、本プロセスの実施に必要なガスタービンの修正を軽減するため、現行の中間冷却式航空機転用型スクロールを利用することができる。
ＣＯ２分離器３６を出たクリーンガス４４をエキスパンダー４６で膨張させる。新鮮空気を追加の圧縮機４８で供給し、再循環低圧煙道ガス部分３８と混合する。混合ガスは中間冷却５１され、高圧圧縮機１６に供給される。エキスパンダー及び空気圧縮機は圧縮機−エキスパンダーユニットで追加のモータ（Ｍ）と連結してもよい。廃熱を回収して圧縮機１６を駆動する動力を低減するために、熱交換器５０での熱交換を空気流とエキスパンダー４６に入るクリーンガス流との間で行ってもよい。別の構成では、熱回収５０のための熱交換を、低圧圧縮機１４を出たＣＯ２リッチ煙道ガスと分離器を出たＣＯ２リーン煙道ガス４４との間で行ってもよい。
上述の通り、全体的ＣＯ２分離率に影響を与えるため、煙道ガス再循環部分３４を使用することができる。同様の理由で、低圧圧縮機１４への新鮮空気の流量を調整することができる。エキスパンダーユニット４６の上流での点火を利用すれば、圧縮機４８を駆動するためのモータをなくすことができる。ユニットの駆動には、蒸気タービン又はガスタービン１２との共通シャフトも使用できる。中間冷却空気圧縮機も圧縮仕事量を節約するので、使用できる。圧縮機の一方、燃焼器、エキスパンダー全体の上流での或いはＣＯ２分離ユニット３６の下流でのガス加湿（例えば、蒸気又は水噴射或いは非断熱飽和装置による）は、追加のモータの必要性をなくすことができる可能性があるだけでなく、出力及びサイクル効率を増加させることができる。
この方法では、旧来の燃焼後ＣＯ２回収法と比較して、煙道ガスのＣＯ２濃度が分離器で増大する。同様に、再循環煙道ガスの一部しか分離器３６に流さないし、さらに重要なこととして、煙道ガスが加圧されているので、分離器３６への体積流量は大気圧ＣＯ２回収法と比較して大幅に減少する。例えば、煙道ガスの５０％再循環でＣＯ２濃度は２倍となり、圧縮によってＣＯ２分圧が２〜２０倍増大する。その結果、ＣＯ２分離器の必要寸法及び必要エネルギーが低減される。さらに、高圧圧縮機１６の入口温度の低下によって、質量流量を増大させることができ、比出力が高まる。一般に、ＣＯ２分圧の大幅な増大によって、以下に説明するように、例えば吸着及び膜分離などの他のＣＯ２回収法の選択も可能となる。
図２は、発電所１００の別の実施形態を示す。この実施形態では、ＣＯ２リーンガスを内部熱回収サイクルに用いる。ＣＯ２リーンガスは、主ガスタービン出口流で再生（復熱）される。その前に、適宜、ガスを飽和させるためサイクルからの低温熱を用いてＣＯ２リーンガスを加湿してもよい。これによって、サイクル内に追加の内部ヒートシンクが生まれる。内部熱回収及び／又は加湿を使用したときの考えられる効果は、動力独立式の空気圧縮機と出力の増大である。適宜、蒸気ボトミングサイクルはその寸法を縮小してもよいし、或いはプラントから除いてもよい。ここに開示した発明は、圧縮全体でのガス抽出によって結合した２以上のガスタービンを備える構成も含む。膜分離法によるＣＯ２分離では、膜透過側で真空ポンプなどを用いれば駆動力を高めることができる。
発電所１００は、圧縮機セクション１１３を有するガスタービン１１２を含み、圧縮機セクションは、２以上の圧縮段（例えば、高圧圧縮機１１６と流体連通した低圧圧縮機１１４）と、燃焼室１１８と、所望に応じて圧縮機１１４，１１６及び発電機１２６の駆動に必要なエネルギーを供給するための１以上のエキスパンダーセクション１２１（例えば、燃焼ガスが送られる高圧エキスパンダー１２２とその下流の低圧エキスパンダー１２４）とを備える。始動時に、圧縮機セクション１１３で圧縮流体（例えば空気又は酸素濃縮空気など）を燃焼器１１８に供給し、燃焼器１１８で燃料１２０と混合して燃焼させ、特に水とＣＯ２を含む煙道ガスを生成する。煙道ガスは、再生器１５０及びエコノマイザ１５２に供給され、それらで熱が回収される。再生器１５０は、タービン排出ガス流の廃熱を回収して、エキスパンダー１４８に入る前にＣＯ２リーン排出ガスを予熱し、エコノマイザは低位熱を回収して任意選択的なＣＯ２リーンガスの加湿を推進する。上記と同様、エキスパンダーセクション１２１からの煙道ガスは完全に又は部分的に再循環することができる。部分的に再循環させる場合、ガスタービン煙道ガスから出る煙道ガスの一部を抽気し、まず凝縮器１３０で冷却して生成した液体水を除去した後、過渡運転（始動、負荷変化、停止）に使用する。この装置は好適には微粒子及びガス夾雑物を捕捉するように構成してもよい。このように処理された煙道ガス（符号１３２で示す）は次いで低圧圧縮機１１４に再循環される。以下で詳しく説明するように、煙道ガス再循環の一部１３４は高いＣＯ２分圧でＣＯ２分離器１３６に送られる（例えば、１０〜７０％）が、残りの部分１３８はさらに高圧圧縮機１１６及び燃焼器１１８に再循環される。
運転中、再循環煙道ガス１３２は第１の圧縮機１１４で約２〜２０バールに圧縮される。ＣＯ２分離器１３６に送られた圧縮ガスの部分は、追加の熱交換器又はトリム冷却器１４２で適宜冷却してもよい。再循環した残りの部分（蒸気１３８）は、追加の圧縮機セクション１５７（適宜、２以上の圧縮機１５８及び１５６と中間冷却器１６２からなる中間冷却式の追加圧縮機ユニットであってもよい。）を通してサイクルに導入される新鮮空気と混合される。再循環煙道ガスと新鮮空気の混合気は、適宜中間冷却器１６４で冷却され、高圧圧縮機１１６及び燃焼器１１８に再循環される。分離器１３６から流出するクリーンＣＯ２リーンガス１４４は、適宜加湿塔１５４で加湿されて加湿ガス１５５を生じ、エキスパンダー１４８で膨張させられる。加湿ＣＯ２リーンガス１５５をエキスパンダー１４８に直接導入することによって、エキスパンダー１４８と結合した圧縮機セクション１５７の作動のためのモータはなくすか或いは最小限にすることができる。さらに、必要に応じて、エキスパンダー１４８は発電機１６０の駆動にも使用できる。例えば１６４，１５２，１６２からの低温廃熱を用いればＣＯ２リーンガスの加湿を推進することができることが明らかであろう。この低位エネルギーは高温加圧水の形態で加湿塔に供給され、向流式にＣＯ２リーンガスを加湿し、水自体は冷却される。この低位エネルギーをこうのように使用すると、内部ヒートシンク（つまり、塔から流出する冷水）の生成によって発電所１００の効率が高まる。
圧縮機セクションは、適宜、高圧圧縮機１５６と連結された低圧圧縮機１５８を含む。新鮮空気（又は酸素濃縮空気）が低圧圧縮機１５８に供給され、高圧圧縮機１５６でさらに圧縮される。適宜、ガスはこれらの圧縮機の間に配設された中間冷却器で冷却してもよい。ガスは次いで再循環低圧煙道ガス部分１３８と混合され、中間冷却器１５１に供給してから高圧圧縮機１１６に導入される。任意要素である中間冷却器で発生した高温水のエンタルピーは、その中を通過するガス或いはエキスパンダー４８，１４８に送られる前のＣＯ２リーンガスを飽和させるのに使用できる。
以上の内部熱回収法で説明したようにＣＯ２リーンガスの使用によって、出力が増大し、圧縮機が動力独立式となる利点がある。適宜、ネット出力を当たる一対のユニット１５７，１４８を使用することによって、従来の蒸気ボトミングサイクルをなくすか或いはその寸法を縮小することができる。
以上開示した方法をゲートサイクルとしてモデル化した。シミュレーションによって、燃焼器に煙道ガスを再循環することの主な効果が確認される。煙道ガスの５０％を高圧圧縮機１１６に再循環すると、ＣＯ２分離器１３６でのＣＯ２分離のための駆動力は２倍となり、体積流量は半分になるので付随する投資及びエネルギー需要が低減する。体積流量の一段の減少及びＣＯ２分離ユニットでのＣＯ２分圧の増加、ひいてはコスト及びエネルギー需要の低減は、圧力下で作動するＣＯ２分離ユニットに起因する。さらに、サイクル構成は、通常運転中すべてのサイクル煙道ガスをＣＯ２分離器を介してシステムから排出するというものである。これによって、最大ＣＯ２回収（好ましくは８０％超）が担保される。さらに、燃焼用の新鮮空気は別途圧縮されて主ガスタービンユニットに導入され、高圧圧縮機入口からガスタービンサイクルに入る。これによって、分離器に導入する前の再循環ＣＯ２リッチ排出ガスの希釈が避けられる。新鮮空気の圧縮に要する仕事量を最小限にするため、除去ユニットからの圧縮ＣＯ２リーンガスは、空気圧縮機と機械的に結合した別のエキスパンダーを通して送られる。好適には、エキスパンダーで発生する仕事量を最大限にするため、様々な熱回収法を用いることもできる。例えば、圧縮機を出る新鮮空気流とエキスパンダーに入るクリーン煙道ガス流との間の熱交換がある。
以上の技術的思想のすべてにおいて、ＣＯ２分離法としては、例えばアミン系溶媒などを用いる化学吸収法がある。慣用法では、作動媒体を吸収塔で溶媒と接触させて、ＣＯ２を気相から液相へと変換し、ＣＯ２リーンガスを排出する。或いは、隔膜（メンブラン）を接触要素として役立てることができる。これは、２つの流れが分離されたまま保たれ、溶媒のガス流への移動が防止され、ターボ機械が保護されるという利点を有する。加えて、全体的寸法、重量及びコストを低減できる。吸収塔又は隔膜ユニットから出るＣＯ２濃縮溶媒は分離塔で再生され、再使用のため再循環される。その他のＣＯ２分離法の具体例としては、物理吸収法、化学吸収法と物理吸収法の組合せ、固体での吸着並びにこれらの組合せがある。
なお、空気（４０，１４０、或いはユニット４８，１５８に導入されるもの）が酸素濃縮されると、燃焼プロセスに導入される空気の体積が低減し、ＣＯ２の形成が改善される。従って、分離器を流れるガス流量がさらに低くなる。
本明細書に記載した高圧分離法が例えばオキシ燃焼法に対して有する格段の利点は、既存のターボ機械をわずかに変更するだけで使用できることである。これが可能となるのは、作動媒体の特性が既存のガスタービンにおける特性によく類似しているからである。
１６／１１６又は４８／１４８の前の加湿は、水噴射又は蒸気噴射のいずれか或いは加湿塔の使用によって達成できる。これら３通りの方法はすべて水蒸気の追加によって作動媒体からのＣＯ２の損失を補う。従って、各エキスパンダーを通る体積流量が増大し、出力が増す。さらに、既存のターボ機械を使用する場合、エキスパンダーの入口における所定の設計条件をこのように再設定すれば、プロセス性能を改善することができる。
図３は、ガスタービン２０２を備える発電所２００の別の実施形態を示す。ガスタービン２０２は、一般に、圧縮機２０４と、燃焼室２０６と、圧縮機２０４及び発電用の発電機２１０の駆動に必要なエネルギーを供給する１以上のエキスパンダーセクション２０８とを備える。一実施形態では、圧縮機２０４からの圧縮流２１２は、燃焼室２０６へと導かれる第１の部分２１４と、二次燃焼器２１８へと導かれる第２の部分２１６との２つの部分に分流される。二次燃焼器２１８では、圧縮流２１２の第２の部分２１６を追加の燃料２２０（例えば天然ガス）と共に燃焼させる。これは、第２の部分２１６の酸素含有量を低減するとともにＣＯ２濃度を最大にするために行われる。
ＣＯ２リッチ流２２２が二次燃焼器２１８で発生してＣＯ２回収システム２２４に導かれ、そこでＣＯ２リッチ流２２２からＣＯ２２２６が分離され、ＣＯ２リーン流２２８を二次タービンシステム２３０に導いて追加の出力を発生させる。適宜、システムは複数の熱交換接触面を含んでいてもよく、例えば、ＣＯ２リッチ流２２２とＣＯ２リーン流２２８を熱交換器２３２に導いてそれらの熱交換を行ってもよい。さらに、熱交換器２３２を二次燃焼器２１８に直接組み込んで、燃焼ガスとＣＯ２リーン流２２８との間での追加の熱交換を行うとともに二次燃焼器材料の冷却を行うこともできる。
二次タービンシステム２３０は、二次タービン２３４と二次圧縮機２３６とを備える。ＣＯ２リーン流２２８は二次タービン２３４に送られて膨張し、モータ発電機２３８で追加の電力を発生する。排出ガス２４０は二次タービン２３４を通って膨張した後で発生し、周囲環境に典型的には熱回収ユニット２４２を通して流れて残留熱を回収した後で放出することができる。排出ガス２４０からはＣＯ２回収システム２２４でＣＯ２の大部分が除去されているので、排出ガス２４０は実質的にＣＯ２を含まず、環境を損なわずに大気中に放出することができる。
空気２４４は二次圧縮機２３６を通して送られるが、圧縮機２３６は通例タービン２３４によって駆動され、圧縮空気流２４６を生じる。圧縮空気流２４６は燃焼室２０６に送られて、一次燃料２４８及び圧縮流２１２の第１の部分２１４と共に燃焼され、高温煙道ガス２５０を生成する。高温煙道ガス２５０はエキスパンダーセクション２０８で膨張して、発電機２１０で電力を発生させ、膨張排出ガス２５２を生ずる。膨張排出ガス２５２は熱回収蒸気発生器２５４に送られ、蒸気２５６と冷却膨張排出ガス２５８とを生じる。蒸気２５６は蒸気タービン２６０に送られて膨張し、さらに電力を発生させる。冷却膨張排出ガス２５８は圧縮機２０４に送られる。膨張排出ガス２５８は通例水を除去できる適当な温度に冷却され、圧縮機２０４に送られて、そこで排出ガスが圧縮される。
本発明の一実施形態では、燃焼室２０６は一次燃焼ゾーン２６２と二次燃焼ゾーン２６４とを含む。一実施形態では、圧縮空気２４６と一次燃料２４８は一次燃焼ゾーン２６２に送られて燃焼し、圧縮流２１２の第１の部分２１４は二次燃焼ゾーン２６４に送られる。
一実施形態では、ＣＯ２回収システム２２４に導入するためにＣＯ２リッチ流２２２から酸素を除去するため、触媒燃焼装置（図示せず）を使用してもよい。分離法によっては酸素分圧の減少による恩恵を受けるものもあり、例えば、ＣＯ２回収に用いられる多くの溶媒の多くはほぼ酸素分圧に比例した速度で分解する。従って、酸素の除去は、システム全体の有効性に有益な効果をもつ。この構成の利点をこの実施形態で説明したが、この構成は本発明のすべての実施形態にも等しく適用できる。
本明細書では、当業者が本発明を実施できるように、最良の実施形態を含めた具体例を用いて本発明を説明してきた。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって定まり、当業者に明らかな他の実施形態を包含する。そうした他の実施形態は、特許請求の範囲の文言と差異のない構成要素又は特許請求の範囲の文言とは実質的な差異のない均等な構成要素を有する場合、特許請求の範囲に包含される。
１０ 発電所
１２ ガスタービン
１３ 圧縮機セクション
１４ 低圧圧縮機
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼室
２１ エキスパンダーセクション
２２ 高圧エキスパンダー
２４ 低圧エキスパンダー
２６ 発電機
２８ 熱回収及び蒸気発生器
３０ 凝縮器
３２ 煙道ガス
３４ 部分（煙道ガス）
３６ 分離器
３８ 残りの部分（煙道ガス）
４２ トリム冷却器
４４ 清浄ガス
４８ 追加の圧縮機／エキスパンダー
５０ 熱交換器
５１ 中間冷却器
１００ 発電所
１１２ ガスタービン
１１３ 圧縮機セクション
１１４ 低圧圧縮機
１１６ 高圧圧縮機
１１８ 燃焼室
１２０ 燃料
１２１ エキスパンダーセクション
１２２ 高圧エキスパンダー
１２４ 低圧エキスパンダー
１２６ 発電機
１３２ 煙道ガス
１３４ 部分（煙道ガス）
１３６ 分離器
１３８ 残りの部分（煙道ガス）
１４２ トリム冷却器
１４４ 清浄なＣＯ２リーンガス
１４８ エキスパンダー
１５０ 再生器
１５２ エコノマイザ
１５４ 加湿塔
１５５ 加湿ガス
１５６ 圧縮機
１５７ 追加の圧縮機セクション
１５８ 圧縮機
１６２ 中間冷却器
１６４ 中間冷却器
１２ ガスタービン
１３ 圧縮機セクション
１４ 低圧圧縮機
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼室
２１ エキスパンダーセクション
２２ 高圧エキスパンダー
２４ 低圧エキスパンダー
２６ 発電機
２８ 熱回収及び蒸気発生器
３０ 凝縮器
３２ 煙道ガス
３４ 部分（煙道ガス）
３６ 分離器
３８ 残りの部分（煙道ガス）
４２ トリム冷却器
４４ 清浄ガス
４８ 追加の圧縮機／エキスパンダー
５０ 熱交換器
５１ 中間冷却器
１００ 発電所
１１２ ガスタービン
１１３ 圧縮機セクション
１１４ 低圧圧縮機
１１６ 高圧圧縮機
１１８ 燃焼室
１２０ 燃料
１２１ エキスパンダーセクション
１２２ 高圧エキスパンダー
１２４ 低圧エキスパンダー
１２６ 発電機
１３２ 煙道ガス
１３４ 部分（煙道ガス）
１３６ 分離器
１３８ 残りの部分（煙道ガス）
１４２ トリム冷却器
１４４ 清浄なＣＯ２リーンガス
１４８ エキスパンダー
１５０ 再生器
１５２ エコノマイザ
１５４ 加湿塔
１５５ 加湿ガス
１５６ 圧縮機
１５７ 追加の圧縮機セクション
１５８ 圧縮機
１６２ 中間冷却器
１６４ 中間冷却器
Claims (10)
- ガスタービン（１２，１１２）を備える発電所（１０，１００）でエネルギーを発生させる方法であって、
低圧圧縮機（１４，１１４）及び高圧圧縮機（１６，１１６）を含む２以上の段を有する圧縮機セクション（１３，１１３）と、圧縮機セクション（１３，１１３）と流体連通した燃焼セクション（１８，１１８）と、燃焼セクション（１８，１１８）と流体連通したエキスパンダーセクション（２１，１２１）とを備えるガスタービン（１２，１１２）から煙道ガスを発生させる段階と、
煙道ガスを低圧圧縮機（１４，１１４）に再循環する段階と、
圧縮再循環煙道ガスの一部を二酸化炭素（ＣＯ２）分離器（３６，１３６）に分流し、残りの部分を高圧圧縮機（１６，１１６）に分流する段階と、
ＣＯ２分離器（３６，１３６）で分流部分からＣＯ２を分離してＣＯ２リーンガスを生成する段階と、
再循環煙道ガスの残りの部分を高圧圧縮機（１６，１１６）に供給する段階と
を含んでなる方法。 - 高圧圧縮機（１６，１１６）への分流に先立って、新鮮空気を再循環煙道ガスの残りの部分と混合する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
- 再循環煙道ガスの残りの部分が、高圧圧縮機（１６，１１６）に入る前に中間冷却器（５１，１６４）を通過する、請求項１又は請求項２記載の方法。
- ＣＯ２分離器（３６，１３６）への煙道ガスの一部が、再循環煙道ガスの約１０〜約７０％である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
- ＣＯ２分離器（３６，１３６）で分流部分からＣＯ２を分離する段階で、ＣＯ２の５０％超を除去する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
- ガスタービン（１２，１１２）からの煙道ガスがすべて、ＣＯ２分離器（３６，１３６）を介して発電所（１０，１００）から排出される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
- ＣＯ２排出量が低減するように構成された発電所（１０，１００）であって、当該発電所（１０，１００）が、
高圧圧縮機（１６，１１６）と流体連通した低圧圧縮機（１４，１１４）を含む２以上の圧縮段を有する圧縮機セクション（１３，１１３）と、圧縮ガスを導入するための第１の入口、燃料（２０，１２０）を導入するための第２の入口及び高温煙道ガスを吐出するための出口を有する燃焼器（１８，１１８）と、高温煙道ガスを導入するための入口及び低圧圧縮機（１４，１１４）と流体連通した出口を有する主エキスパンダーセクション（２１，１２１）とを備えるガスタービン（１２，１１２）と、
低圧圧縮機（１４，１１４）から煙道ガスの一部を受け取るために低圧圧縮機（１４，１１４）と流体連通したＣＯ２分離器（３６，１３６）であって、ＣＯ２リーンガスを追加のエキスパンダー（４８，１５７）に供給するＣＯ２分離器（３６，１３６）と
を備えており、煙道ガスの残りの部分が、高圧圧縮機（１６，１１６）と流体連通した低圧圧縮機（１４，１１４）を介して、高圧圧縮機（１６，１１６）に直接供給される、発電所。 - 低圧圧縮機（１４，１１４）からの煙道ガスの一部を処理するためにＣＯ２分離器（３６，１３６）と低圧圧縮機（１４，１１４）の間に配設された熱交換器（４２，１４２）をさらに備える、請求項７記載の発電所。
- 高圧圧縮機（１６，１１６）に導入される前の再循環煙道ガス（３２，１３２）を受け入れて冷却するための中間冷却器（５１，１６４）をさらに備える、請求項７又は請求項８記載の発電所。
- ガスタービン（１２，１１２）が１以上の追加のガスタービンと連結している、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の発電所。
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