JP2004360694A - ガスタービンを有するエネルギ発生設備にてエネルギを発生させる方法並びに該方法を実施するエネルギ発生設備 - Google Patents

ガスタービンを有するエネルギ発生設備にてエネルギを発生させる方法並びに該方法を実施するエネルギ発生設備 Download PDF

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Abstract

【課題】第１の段階で空気を含むガスがガスタービンの第１の圧縮器にて圧縮され、第２の段階で前記圧縮されたガスが、燃料が添加された状態で燃焼室へ燃焼のために導かれ、第２の段階で燃焼室からの熱い煙ガスがガスタービンの膨張部もしくはゼネレータを駆動するタービンにて作業出力を発揮して弛緩させられ、第４の段階で弛緩させられた煙ガスの部分流が第１の圧縮器の入口へ戻されかつ空気を含むガスに添加され、圧縮されたガスからは第３の段階の前にＣＯ２ 分離器で炭素酸化物が分離される、ガスタービンを有するエネルギ発生設備においてエネルギを発生する方法において、構成寸法とエネルギ費用を減少させること。
【解決手段】ＣＯ２ 分離器において高められたＣＯ２ 濃度を可能にするために、圧縮されたガスに含まれた炭素酸化物の約７０％を超える炭素酸化物を、前記圧縮されたガスから除去しないこと。
【選択図】図１

Description

本発明はエネルギ発生技術の分野に関する。本発明は請求項１の上位概念によるエネルギを発生させる方法が対象である。さらに本発明は請求項２０の上位概念による前記方法を実施するエネルギ発生設備をも対象としている。
前記の如き方法と前記の如き設備は例えばＷＯ−Ａ１−０２／１０３１７６号明細書によって公知である。
過去数十年の間に、エミッションの低い、環境に優しい発電設備に対する関心は著しく高まっている。炭素に関してできるだけ制限された使用に対する解答としてはエネルギを低い炭素酸化物のエミッションで化石状の燃料から生ぜしめる可能性が特に興味深い。これを目的として既に種々のプロジェクトがエミッションの低い、ガスタービンをベースとしたプロセスの開発を目差してスタートしている。このような発電設備からのＣＯ２ エミッションを低減させるためには従来３つの方法があった。
1. 出口側でＣＯ２ を食い止める方法。この方法では燃焼の間に発生したＣＯ２ は排ガスから吸着プロセス、ダイヤフラム、冷技術的なプロセス又はそれらの組合せによって除かれる。
2. 燃料の炭素の低量化。この方法では燃料は燃焼前にＨ２とＣＯ２ とに変換され、これにより燃料の炭素含有量をガスタービンへ侵入する前に食い止めることが可能になる。
3. 酸素−燃料プロセス（ｏｘｙ−ｆｕｅｌｐｒｏｃｅｓｓ）。この場合には空気の代りにほぼ純粋な酸素が酸化剤として使用され、これにより炭素酸化物と水とから成る煙ガスが発生する。
従来の出口側の食い止めプロセス（上記方法（１））では煙ガスがガスタービンの弛緩部もしくはタービンにて弛緩させられたあとでＣＯ２ が食い止められる。つまり吸収圧は１ａｔｍである。この縁条件の主要な欠点はＣＯ２ 分圧が煙ガスにおけるＣＯ２ 濃度が低いこと（典型的な形式で３〜４Ｖｏｌ.−％）に基づききわめて小さく、したがってＣＯ２ を除去するために大きくかつ高価な装置が必要とされることである。煙突におけるＣＯ２ 濃度、ひいては分圧は煙ガスをガスタービンの圧縮器へ部分的に戻すことによって高められる（例えばＵＳ−Ａ−５,８３２,７１２号参照）が、しかしＣＯ２ 濃度は比較的に低く留まる（約６〜１０Ｖｏｌ.−％）。
煙ガスが戻されるガスタービン循環プロセスに使用可能である第１の方法の新しいヴァリエーションは、ＣＯ２ 分離の場所を圧縮器の後ろへ又は中間冷却段へ移動する。これにより、炭素酸化物の分圧は著しく高められかつ分離のための促進力も改善される。さらに処理しようとするガスの体積も著しく減じられる。この両方のファクタはＣＯ２ 分離装置の寸法並びにそのエネルギ流の低減をもたらし、放射されなかった炭素酸化物トンあたりの費用を減少させる。大気への炭素酸化物の放出をさらに低減するためには燃焼ガスを酸素で富化することができる。これは煙ガスの戻し比の上昇と煙突への質量流の減少を可能にする。さらに熱源、例えば中間冷却装置が分離プロセスの稼働に関与させられることもできる。このようなプロセス施行は高圧分離と呼ばれ、冒頭に述べたＷＯ−Ａ１−０２／１０３１７６号明細書の図２と３とに示されている。
高圧分離のより厳密な検討が示すようにこの開発の目的は、分離ユニットにおける炭素酸化物の分圧を上昇させることである。圧縮された作業媒体にて炭素酸化物の大部分（８０〜９５％）が除去されると、排ガスにおいて低い炭素酸化物濃度が得られかつそれに基づき圧縮器への戻し装置と炭素酸化物分離ユニットとにおいても低い炭素酸化物濃度が得られる。高い分離値の前記戦略は戻されない排ガスにおいて循環プロセスを後にする炭素酸化物の量を減少させる一方、循環プロセスにおける炭素酸化物濃度の上昇を阻止する。より高い煙ガス−戻し比を可能にするために侵入空気が酸素で富化されることができるが、主要な効果は炭素酸化物濃度を上昇させる代りに炭素酸化物エミッションをさらに制限することである。総じて言えることは圧縮器の後ろで炭素酸化物の大きな部分を高圧分離で分離することは、分離の間によりわずかな炭素酸化物分圧をもたらす。これは開発の目的に反する。このような構想は文献ＷＯ−Ａ１−０２／１０３１７６号明細書に記載されており、下記の表１において空気もしくは酸素で富化された空気を用いた循環プロセスのためのケース１と３とによって把握されている。
炭素酸化物の一部しか高圧ＣＯ２ 分離プロセスで除去されないと、特に酸素富化が用いられると、分離ユニットにおけるＣＯ２ 分圧を顕著に上昇させることが可能である。表１はこの効果を示している。この場合、ケース３での５％（ｍｏｌａｒ）のＣＯ２ 濃度はケース４では１４％に上昇している。濃度の前記上昇は部分的に低いＣＯ２ 分離値を補償し、作業媒体に含まれたＣＯ２ が２０％しか除去されないにも拘わらず循環プロセスにおいて発生した炭素酸化物の５３％を捉えることを可能にする。循環プロセスがもっぱら空気で運転されると、循環プロセスにおけるＣＯ２ の形成は戻される煙ガスのより少ない量で制限される。したがって部分的な分離の方法は有効度が小さい（表１のケース１と２を参照）。
Figure 2004360694
炭素酸化物の１部しか作業媒体から分離されないと炭素酸化物エミッションが上昇するのに対し、装備費用の節減は分離要求の低減とプロセスを進行する力の上昇とによって達成される。好適な分離有効性は大気への高められた炭素酸化物の放出により惹起される費用（ＣＯ２ 税の採択）とさらに改善された分離プロセスに対する運転及び装備費用における節減との間のコンプロミスで得られる。
先行する区分においては従来の高圧分離の構想的な改善が記載された。しかし部分流分離として呼ばれる方法を用いることにより熱動的及び経済的にさらなる改善が達成される。高圧ＣＯ２ 分離の欠点は、冷たいＣＯ２ 分離プロセス、例えばいわゆる“ａｍｉｎｅ ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ”が用いられると作業媒体を冷却しかつ再び加熱するために大きな熱交換器が必要とされることである。発電設備の良好な効率のためには圧縮器の出口温度を維持し、燃料消費量を低く保つことが重要である。炭素酸化物のために低い分離値が望ましいことを考慮すると（上を参照）、総費用を減少させ、循環プロセスの効率を高め、特に富化された空気を供給した場合に除去しようとするＣＯ２ の分圧を高めるために新しい分離戦略を講じること、すなわち圧縮器出口における部分流における高いＣＯ２ 分離値が可能である。
相応する構想はあとで詳細に説明する図３と図４とに示してある。これらの図から判るように作業媒体は圧縮器の後ろで２つの流れに分割されている。一方の流れはＣＯ２ 分離プロセスに送られるのに対し、他方の流れは燃焼室に直接送られる。この理由から部分流分離を用いた循環プロセスのためには燃焼装置の入口温度は図１と２の総流の場合のようには著しくは減じられない。一方の部分流しか分離ユニットにて処理されないので、熱交換器及び当該プロセスのための他の設備部分の構成寸法は顕著に小さくなる。もちろん、分離プロセス自体に対する要求は高くなる。場合によってはターボ機械への不純物の侵入を減少させるためにダイヤフラムがＣＯ２ 分離プロセスと関連して必要である。空気が例えば冷却技術的な装置にて発生する純度の高い酸素流で富化されると、燃焼前の作業媒体の熱損失を低減させるために酸素を予熱したい。中間冷却が用いられていると、導出された熱は溶剤を再生するために用いたい（図４参照）。これは通常はコンビ発電設備では利用することのできない熱を応用するための重要な可能性である。
例えば酸素−燃料−構想に対する高圧−分離−構想の重要な利点は、既存のターボ機械をわずかに変更するだけでこれが用いられ得ることである。その原因は、作業媒体の特性が既存のガスタービンにおける特性にきわめて似ているからである。しかし、高圧−分離構想に固有であることは、作業媒体が圧縮機とタービンとの間で取出されることである。これは既存のターボ機械が使用されると、膨張部における質量流の減少と、コンスタントな容積流を維持するためには圧力が膨張部内へ降下しなければならないという事実との結果としての出口出力の著しい損失を意味する。したがって出発点での条件が再び与えられ得るように作業媒体の質量流が高められるようにしたい。これは以下の２つの処置：
・酸素噴射
又は
・加湿
の一方で達成することができる。
酸素噴射については、ＣＯ２ エミッションを制限する手段として、既に先きに記述した。しかし酸素噴射は−それが圧縮のあとで実施されると−膨張部の入口における構成的に予め規定された条件（圧力、質量流）を維持するためにも役立つ。加湿は水噴射、蒸気噴射又は加湿塔の使用によって実現することができる。３つの方法はいずれも水蒸気を加えることにより作業媒体からのＣＯ２ の損失を補償する。これにより酸素噴射の場合のように膨張部の入口において構成的に規定された条件は再び得られ、循環プロセスの効率は大幅に改善される。この方法は従来の高圧−分離プロセスにおいても部分流分離を伴う高圧−分離プロセスにおいても応用することができる。
ＷＯ−Ａ１−０２／１０３１７６号 ＵＳ−Ａ−５,８３２,７１２号参照
本発明の課題はガスタービンを含むエネルギ発生設備においてエネルギを発生させる方法であって、高圧−分離構想に従って炭素酸化物が除去され、分離装置の構成寸法が減じられかつエネルギ及び設備費用が節減されている点で優れている方法並びに当該方法を実施するエネルギ発生設備を提供することである。
本発明の課題は請求項１と２０の特徴全体によって解決された。本発明は半閉鎖循環回路を有する発電設備において、ＣＯ２ 分離のために必要とされる装備が高圧−ＣＯ２ 分離によって減じられることができる方法を提供する。さらにＣＯ２ 分離のためのエネルギ費用が減じられることができる。本発明では高められた圧力のもとで行なわれるＣＯ２ 分離が使用されている。つまりＣＯ２ 分離は圧縮器の後ろ又は場合によっては中間冷却が存在していると２つの圧縮段の間で行なわれる。重要であることは、圧縮された作業媒体における炭素酸化物の１部（１０〜７０％）しか分離されず、燃焼の間に形成された炭素酸化物が循環プロセスにおいて濃縮できることである。圧縮された作業媒体からの炭素酸化物の分離の度合が高いプロセスに比較して分離するための促進力は高く、ＣＯ２ 分離装置の寸法はさらに減少させられることができる。この結果、装備費用も分離プロセスのエネルギ消費も節減される。重要な変更は圧縮器からのガスの１部を直接的に燃焼室へ導き、残りのガスだけがＣＯ２ 分離装置へ導かれることである。この形式のプロセス実施によって数多くの利点が得られる。したがって例えばＣＯ２ 分離装置とガス熱交換器との大きさを減少させることが、処理されるガス流が小さくなることで可能になる。ＣＯ２ 分離の後で残った部分流は燃焼室へ導かれるかタービンの冷却に関与させられることすらできる。いずれの場合にも燃焼室侵入温度は高められ、これにより燃料消費量が減少させられ、ガスタービンの熱的効率が公知の高圧−分離法に較べて改善される。
本発明の別の構成によれば、出発出力及び高圧−ＣＯ２ 分離と関連する設備効率を改善する方法が提案されている。この場合、酸素又は水蒸気は種々の方法で圧縮器の後ろで、圧縮器と膨張部分との間での作業媒体の損失を補償するために添加される。これは既存のガスタービンを高圧ＣＯ２ 分離に、タービンの膨張部分に適合させられることなく又は出発出力又は設備効率にて他の欠点を甘受する必要なく使用することを可能にする。
この場合、本発明のすべての部分は表現的に別の記載がない限り、簡単なガスタービンプロセス又はコンビプロセスで用いることができる。簡単なガスタービンプロセスとはガスタービンからの排ガスの熱が付加的なエネルギの発生のために利用されないのに対し、コンビプロセスは排ガスで蒸気タービンのための蒸気が発生させられる。
本発明による方法の第１の有利な構成は、圧縮されたガスの総流がＣＯ２ 分離器を通して導かれ、圧縮されたガスに含まれる炭素酸化物の１０％と７０％との間で、圧縮されたガスから除去される点で優れている。
この場合、ＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスは直接燃焼室に導かれるか又はＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスはまずガス／ガス熱交換器にて第１の圧縮器から来る圧縮されたガスから熱を奪い、次いで燃焼室へ導かれるか又はＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスはガスタービンの第２の圧縮器において引続き圧縮され、引続き圧縮されたガスが燃焼室へ供給される。
本発明の方法の第２の有利な構成は、圧縮されたガスの総流が大きい部分流と小さい部分流とに分割され、小さい方の部分流だけがＣＯ２ 分離器を通して導かれ、そこで、圧縮されたガスに含まれた炭素酸化物の５０％よりも多くが、有利には７０％と９９％との間で圧縮されたガスから除去されることを特徴としている。
この場合にも、ＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスは燃焼室へ直接的に導かれるか又はＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスはまずガス／ガス熱交換器にて、第１の圧縮器から来る圧縮されたガスから熱を奪い、次いでＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスがガスタービンの第２の圧縮器にて引続き圧縮され、引続き圧縮されたガスが燃焼室へ供給される。
原則的には圧縮されたガスはＣＯ２ 分離器へ侵入する前に熱交換器にて冷却されることが有利である。
さらにタービンにて弛緩された煙ガスを熱交換器にて冷却するか又は廃熱蒸気発生器にて蒸気を発生させるために使用することも考えられる。
さらに第１の圧縮器の入口へ戻される煙ガスの部分流から、空気を含むガスと混合する前に凝縮器にて水を採取することも有利である。
さらにＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスに、場合によっては第２の圧縮器におけるさらなる圧縮後に、酸素を添加し、空気として酸素で富化された空気を使用することも考えられる。
効率に関する利点は、ＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスがガス／ガス熱交換器において燃焼室へ侵入する前に、タービンから流出する熱い煙ガスによって予熱されることにより得られる。
さらにタービンから流出する熱い煙ガスを用いて蒸気を発生させ、発生させた蒸気を部分的に燃焼室内へ噴射し、かつ部分的にＣＯ２ 分離器にて使用することが有利でありかつＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスを後圧縮器にて後圧縮し、後圧縮されたガスをガス／ガス熱交換器にて、第１の圧縮器から来る圧縮されたガスと熱交換させることが有利である。
さらに、ＣＯ２ 分離器から来る圧縮されたガスが燃焼室に流入する前に加湿されかつ加湿されたガスが燃焼室に流入する前にガス／ガス熱交換器において、第１の圧縮器から流出する圧縮されたガスから熱を吸収することが有利である。
本発明のエネルギ発生設備の有利な１実施例の特徴は、第１の圧縮器の出口から唯一の結合導管が燃焼室の第１の入口へ通じ、ＣＯ２ 分離器がこの結合導管に接続されており、ＣＯ２ 分離器を通って流れるガスの炭素酸化物の７０％よりも多くはＣＯ２ 分離器が分離しないようにＣＯ２ 分離器が構成されていることである。
本発明のエネルギ発生設備の第２の実施例の特徴は第１の圧縮器の出口から２つの結合導管が平行に燃焼室の第１の入口へ通じ、ＣＯ２ 分離器が前記２つの結合導管の一方に接続されていることである。
エネルギ発生設備のさらなる構成は従属請求項２３から２７までに開示してある。
冒頭に述べた文献ＷＯ−Ａ１−０２／１０３１７６号には、本願明細書図１のように、ガスタービン２９を有するエネルギ発生設備３０が記載されている。このエネルギ発生設備３０においては空気又は酸素で富化された空気１が戻された煙ガス１５と混合され、次いで圧縮器２へ導かれる。次いで圧縮されたガス３ａ，３ｂは熱交換器４へ流れ、そこでガス流３ａ，３ｂはＣＯ２ 吸収に適した温度レベル（典型的には３０〜６０℃）に冷却される。次いで、比較的に冷えた、圧縮されたガス５は、ＣＯ２ 分離器６に侵入し、そこで、これが重要であるのだが、８０〜９０％のＣＯ２ が分離される。ＣＯ２ 分離器６の出口における圧縮されたガス７ａ，７ｂは次いで燃焼室２３へ導かれ、そこでガス状又は液状の燃料８、通常は天然ガスで燃焼させられる。次いで熱い煙ガス９はタービン（もしくは弛緩部）１０にて弛緩させられる。タービン１０自体は圧縮器２を駆動しかつ発電機１８を用いて電気的なエネルギが発生させられる。タービン１０において弛緩されたあとで煙ガスは廃熱蒸気発生器（ｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＨＲＳＧ）１２に侵入するか又は単に熱交換器にて冷却される。有利な方式は蒸気タービンと結合された廃熱蒸気発生器を使用することである（コンビプロセス）。これにより設備の出発出力と効率とが高められる。冷えた煙ガスの大きな部分は最終的に戻され、凝縮器１４においてさらに冷却されるので含有させられた水は凝縮により分離させられ、凝縮水１６として取出されることができる。次いで供給された煙ガス１５は吸込まれた空気もしくは富化された空気１と混合させられる。冷たい煙ガスの残りは放出されたガス１７として煙突又はそれに類似したものに送られる。
前述の文献には、ＣＯ２ 分離が２つの圧縮段の間で行なわれる循環プロセスも含まれている（図２：圧縮器２ａ，２ｂを参照）。この循環プロセスでは圧縮器のための出力消費を減ずるためにいわゆる中間冷却（ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｉｎｇ）が用いられている。中間冷却の原理は、まずガスを部分的に圧縮し（圧縮器２ａ）、次いで所望の圧力への最終的な圧縮を行なう前に（圧縮器２ｂ）、冷却する（中間冷却器としての熱交換器４）ことである。これによって圧縮作業は減少させられ、循環プロセスの出口出力が高められる。ＣＯ２ 分離は中間冷却の後で、最終的な圧縮の前に行なわれる。これは中間冷却が行なわれない従来のプロセスに対し２つの利点を有している。すなわち、圧縮器からの圧縮されたガスの流れ３はいずれにしてもＣＯ２ 分離の前に冷却される必要があり、これは中間冷却で行なわれることができる。換言すれば中間冷却器は同時に２つの課題を果たす。すなわち中間冷却器は圧縮器における出力要求を減じ、同時にガスをＣＯ２ 分離にとって望ましい温度レベルに冷却する。上記形式のプロセス経過においては１つの問題がある。ＣＯ２ 分離値がわりあい高いので、ＣＯ２ 分離器６におけるＣＯ２ 濃度が比較的に低く、したがって多くのエネルギを消費する大きな装置がもたらされることになる。
これに対し本発明は、より高いＣＯ２ 濃度をＣＯ２ 分離器にて可能にするために、圧縮する作業媒体に対し低い効率を有するＣＯ２ 分離を使用することを提案している。
本発明の第１実施例は図１に示されており、文献ＷＯ−Ａ１−０２／１０３１７６号に開示された解決策に近いが、炭素酸化物のよりわずかな割合（１０〜７０％）が、圧縮された作業媒体から除かれるという差異を有している。この分離戦略は特に酸素で富化された空気を供給した場合に分離プロセスの間に著しく高いＣＯ２ 濃度をもたらし、該プロセスにおける分離要求を減少させる。このファクタは従来の高圧分離構想に比較して必要な装備の大きさ及び必要なエネルギ流、ひいては費用を減じる。付加的に図１にはガス／ガス熱交換器２１が設けられ、このガス／ガス熱交換器２１にて、圧縮されたガス３ａは熱を、ＣＯ２ 分離器６から来る圧縮されたガス７ａに放出する。分離されたＣＯ２ １９は自体公知の形式で保管されるか又は他の形式で処理されることができる。
同じ形式で本発明の第２実施例（図２）は概略図から、ＷＯ−Ａ１−０２／１０３１７６号の第２のプロセスに似ている。この場合にも、炭素酸化物がはっきりとわずかな有効性で、圧縮された作業媒体から除かれるという重要な差異がある。そのうえ、中間冷却器において吸収された熱はＣＯ２ 分離器において、ＣＯ２ 分離が例えば“ａｍｉｎｅ ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ”をベースとしていると溶剤を減じるために利用することができる。これはＣＯ２ 分離プロセスのために蒸気発生循環回路から少ない蒸気しか必要とされないか又は最良の場合には前記蒸気が全く必要とされないことを意味する。第１実施例の場合のようにこのファクタは装備の大きさと必要なエネルギ流、ひいては費用を、従来の高圧分離構想に比較して減少させる。
本発明の第３実施例は第１実施例で記述した炭素酸化物の分離を実施するための細分化された構成に関する。この実施例では低い分離値は作業媒体の部分流（１０〜９０％）だけが分離プロセスに供給され（図３を参照）、この部分流にて、存在する炭素酸化物の大部分（７０〜９９％）を除くことで達成される。圧縮器２の下流でガス流は分割され、圧縮されたガスの第１の部分流３ａは直接燃焼室２３へ導かれるのに対し、圧縮されたガスの第２の部分流３ｂはＣＯ２ 分離器６へ導かれる。この形式の方法によりＣＯ２ 分離装置の大きさと費用は本発明の第１実施例に較べてさらに減じられる。この構想は熱動的な損失も圧縮器の出口と燃焼室２３の入口との間の温度低下の減少により制限する。したがって所望の燃焼温度を達成するためには少ない燃料を燃焼させなければならず、効率は図１の総流装置に較べて高くなる。この構想の変更の特徴は、ＣＯ２ 分離器から出たＣＯ２ の少ないガスの１部を、タービン１０の加熱ガス通路を冷却するために用いることである（図３におけるタービン１０に対する破線矢印）。これは、供給されたガスの温度を低下させることによって、タービンの冷却に必要な質量流が減少させられるのに対し、同時に燃焼装置の入口温度が分離プロセスの影響を受けることはないという熱動的な利点を有している。
本発明の第４の実施例は先に述べた第３実施例の部分流構想を応用しかつそれを本発明の第２の実施例による構想、つまり中間冷却を伴うガスタービン循環プロセスに転用している。空気（又は酸素で富化された空気１）と戻された煙ガス１５との混合物はまず第１の圧縮器２ａにて圧縮され、次いで冷却される（熱交換器もしくは中間冷却器４）。圧縮されたガス５ａの部分流５ｂはＣＯ２ 分離器６に向かって流れ、そこで炭素酸化物の大部分（８０〜９９％）が除去される。このように処理されたガス７ａと処理されなかったガス５ｃは再び合流させられ、第２の圧縮器２ｂに送られ、そこで所望の作業圧に圧縮され、圧縮されたガス７ｃとして燃焼室２３に達する。実施例１を実施例３に改善した場合のように、前記形式のプロセス施行によって、エネルギ及びＣＯ２ 分離のための装備に対する要求は実施例３に対し低減させられる。中間冷却に際して採取した熱はこの場合にも、循環プロセスに対する分離プロセスの熱動的な影響を最少化するためにＣＯ２ 分離柱にて使用されることができる。
本発明の第５実施例は復熱を伴う高圧ＣＯ２ 分離プロセスに関する（図５）。ガスタービン２９の膨張部（タービン）１０からの熱い煙ガス１１はこの場合には、ＣＯ２ 分離器６から出る圧縮されたガス７を加熱するためにガス／ガス熱交換器又は復熱器２１にて使用され、煙ガス１１ｂとして流出する。煙ガス１１の他の部分流１１ｃは熱交換器１２にて冷却され、冷えた煙ガス１３からは凝縮器１４にて水が採取され、煙ガス１３は戻される煙ガス１５として、吸込まれた空気１に混合させられる。これにより燃焼室２３への温度は、タービン１０の出口における温度が圧縮器出口温度に比較して高いことに基づき上昇させられることができる。これは所望の燃焼温度を達成するために燃焼させられなければならない燃料が少なく、当該設備の効率が増大することを意味する。この構想の別の利点は、ガス／ガス熱交換器もしくは復水器２１の構成寸法が減少させられることである。その原因は温度の促進力がこの場合には先のケースに比較して大きいからである。この方法構想の唯一の実現する欠点は、該構想が簡単な循環するプロセスにしか使用できる、コンビプロセスには使用できないことである。この理由は、復熱器からの温度が廃熱蒸気発生器における有効使用にとっては低すぎることに存する。図５においては破線矢印で、選択可能な水２４が熱交換器４にて、圧縮されたガス３によって蒸気２８に変換され、該蒸気２８がＣＯ２ 分離器６にて使用できることが示されている。
本発明による第６実施例では、高圧ＣＯ２ 分離プロセスの出口出力を高めるためにガスタービン２９へ蒸気を噴射することが用いられている。作業媒体（ＣＯ２ と水）の１部が、圧縮されたガスから除かれるのでタービン１０への圧縮されたガス７ｃの質量流は減少する。すなわち、これによりタービン１０の入口における圧力も低下する。この結果、タービン１０において発生した出力も低下する。これを回避する可能性は、タービン１０における膨張の前で蒸気噴射を行なうことである。今日のガスタービンを、蒸気噴射を伴う新しい高圧ＣＯ２ 分離構想に変更するためには、ＣＯ２ 分離器６とガス／ガス熱交換器２１との間に後圧縮器２６を接続することが必要であることがあり得る。後圧縮器２６はＣＯ２ 分離器６から来る圧縮されたガス７ａを後圧縮し、後圧縮されたガス７ｂはガス／ガス熱交換器２１にて圧縮器２から来る圧縮されたガス３と熱交換し、次いでガス流７ｃとして燃焼室２３へ導かれる。熱い煙ガスによって熱交換器もしくは蒸気発生器１２ａにて発生させられた噴射された蒸気２８は最良のケースではタービン１０の入口圧を公称圧に上昇させる。これは熱交換器４と、２１と、圧縮器２とタービン１０との間のＣＯ２ 分離器６とにおける圧力損失と関連して、本来構成されている圧力よりも高い圧力を圧縮器が送出しなければならないことを意味する。これにより圧縮器の“ｓｕｒｇｅ ｍａｒｇｉｎ”は危うくなる。したがって１つの可能性は前述の設備部分における圧力損失を補償するために圧力を十分に上昇させる後圧縮器２６を設けることである。噴射するための蒸気は循環プロセスの熱源、例えば煙ガス又は圧縮器の出口における熱い圧縮されたガスによって発生させることができる。この方法は本発明の第１実施例から第５実施例までに応用すること、つまり中間冷却と復熱を伴う総流−及び部分流−ＣＯ２ 分離と関連して応用することができる。
本発明の第７実施例は先きに述べた第６実施例ときわめて似ている。しかしこのプロセスでは蒸気噴射の代りに、作業媒体が燃焼室の前に配置された加湿装置（加湿塔２２）にて加湿される（図７）。蒸気噴射と加湿との差異は、後者の場合、加湿のために低価値のエネルギを用いることができ、設備の効率が上昇することである。冷たい水２２ａ，ｂは熱交換器４と１２ｂにて圧縮されたガス３ａ，ｂと熱い煙ガス１１ａとによって加熱され、暖かい水２２ｃ，ｄとして加湿塔２２にて作用媒体と向流で“ｐａｃｋｅｄ ｂｅｄ”において接触させられる。水の一部は蒸発させられ、加湿塔にて下向きに流れる水は冷却される。水を加熱するエネルギは、既に述べたように、煙ガス１１ａから採取されるか又はＣＯ２ 分離器６内へ侵入する圧縮されたガス３ａ，ｂ，ｃ又は循環回路内に存在する中間冷却器（図２と図４とを参照）から採られる。蒸発のために低価値のエネルギを使用する利点は蒸気噴射の場合に蒸気タービンにて用いられる蒸気を分岐することが必要であるコンビ設備のために一層顕著である。この方法は本発明の第１実施例から第５実施例まで、つまり中間冷却と復熱とを伴う総流−部分流−ＣＯ２ 分離との組合わせで使用することができる。
このＣＯ２ 分離プロセスは記述したすべての構想にて、Ａｍｉｎをベースとした溶剤又はナトリウムカーバイト溶剤又はそれに類似したものが使用される化学的な吸着プロセスを含んでいることができる。従来の形式では作業媒体は溶剤と吸着塔内で接触させられ、そこでＣＯ２ がガスから液相へ伝達され、ＣＯ２ の少ないガスが流出する。選択的にダイヤフラムが接触エレメントとして作用することができる。これは、両方の流れを分けて保つことができ、溶剤がガス流に侵入することが阻止されかつターボ機械が保護されるという利点を有している。さらに構成寸法、重量及び費用が減少される。吸着器又はダイヤフラムユニットから流出する、ＣＯ２ で富化された溶剤は分離柱にて再生されかつ新たな使用のために戻される。ＣＯ２ 分離プロセスのための他の例としては物理的な吸着、化学的及び物理的な吸着の組合わせ、固体への吸着及びこれらの組合せがある。
図１から４までには破線矢印で当該プロセスにＣＯ２ 分離後と場合によっては第２の圧縮器２ｂにおける別の圧縮のあとで、既にはじめに説明したように酸素２０を添加できることが示されている。
単段の圧縮と圧縮されたガスの総流からのＣＯ２ 分離とが行なわれる、本発明の第１実施例によるエネルギ発生設備を概略的に示した図。 中間冷却を伴う２段の圧縮と圧縮された総流からのＣＯ２ 分離とが行なわれる、本発明の第２実施例によるエネルギ発生設備を概略的に示した図。 単段の圧縮と圧縮されたガスの部分流からのＣＯ２ 分離とが行なわれる本発明の第３実施例によるエネルギ発生設備を概略的に示した図。 中間冷却を伴う２段の圧縮と圧縮されたガスの部分流からのＣＯ２ 分離とが行なわれる、本発明の第４実施例によるエネルギ発生設備を概略的に示した図。 単段の圧縮と圧縮されたガスの総流からのＣＯ２ 分離とガス／ガス熱交換器を用いた復熱とが行なわれる、本発明による第５実施例のエネルギ発生設備を示した図。 圧縮されたガスの総流からのＣＯ２ 分離と蒸気噴射と後圧縮とが行なわれる、本発明による第６実施例によるエネルギ発生設備を示した図。 単段の圧縮と圧縮されたガスの総流からのＣＯ２ 分離とＣＯ２ 分離後の圧縮されたガスの加湿とが行なわれる、本発明による第７実施例によるエネルギ発生設備を示した図。
符号の説明
１ 空気もしくは富化された空気、 ２，２ａ，２ｂ 圧縮器、 ３，３ａ，３ｂ，３ｃ 圧縮されたガス、 ４ 熱交換器、 ５，５ａ，５ｂ，５ｃ 圧縮されたガス、 ６ ＣＯ２ 分離器、 ７，７ａ，７ｂ，７ｃ 圧縮されたガス、 ８ 燃料、 ９ 熱い煙ガス、 １０ 膨張部（タービン）、 １１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 煙ガス、 １２，１２ａ，ｂ 熱交換器、廃熱蒸気発生器（ＨＲＳＧ）、 １３ 冷たい煙ガス、 １４ 凝縮器、 １５ 戻された煙ガス、 １６ 凝縮された水、 １７ 放射した煙ガス、 １８ ゼネレータ、 １９ 分離されたＣＯ２ 、 ２０ 酸素、 ２１ ガス／ガス熱交換器、 ２２ 加湿塔、 ２２ａ，２２ｂ 冷たい水、 ２２ｃ，２２ｄ 暖かい水、 ２３ 燃焼室、 ２４ 水、 ２５ 冷却空気、 ２６ 後圧縮器、 ２７ ＣＯ２ 、 ２８ 蒸気、 ２９ ガスタービン、 ３０ エネルギ発生設備

Claims (27)

  1. ガスタービン（２９）を有するエネルギ発生設備（３０）にてエネルギを発生させる方法であって、第１の段階で、空気（１）を含むガスがガスタービン（２９）の第１の圧縮器（２，２ａ）にて圧縮され、第２の段階で、圧縮されたガス（３，３ａ，３ｂ，３ｃ；５，５ａ，５ｂ，５ｃ；７，７ａ，７ｂ，７ｃ）が燃料（８）が添加された状態で燃焼室（２３）に燃焼のために供給され、第３の段階で、燃焼室（２３）からの熱い煙ガス（９）がガスタービン（２９）の膨張部においてもしくはゼネレータ（１８）を駆動するタービン（１０）において作業出力を発揮して弛緩させられ、第４の段階で、弛緩させられた煙ガスの部分流が第１の圧縮器（２，２ａ）の入口へ戻されかつ空気（１）を含むガスに添加され、前記第３の段階の前に、前記圧縮されたガス（３，３ａ，３ｂ，３ｃ；５，５ａ，５ｂ，５ｃ；７，７ａ，７ｂ，７ｃ）からＣＯ２ 分離器（６）にて炭素酸化物（ＣＯ２ ）が分離される形式のものにおいて、ＣＯ２ 分離器（６）において高められたＣＯ２ 濃度を可能にするために前記圧縮ガス（３，３ａ，３ｂ，３ｃ；５，５ａ，５ｂ，５ｃ；７，７ａ，７ｂ，７ｃ）に含まれた炭素酸化物のほぼ７０％よりも多くの炭素酸化物は前記圧縮ガス（３，３ａ，３ｂ，３ｃ；５，５ａ，５ｂ，５ｃ；７，７ａ，７ｂ，７ｃ）から分離しないことを特徴とする、ガスタービンを含むエネルギ発生設備にてエネルギを発生させる方法。
  2. 前記圧縮されたガス（３，３ａ，３ｂ，３ｃ；５，５ａ，５ｂ，５ｃ；７，７ａ，７ｂ，７ｃ）の全流をＣＯ２ 分離器（６）を通して導き、前記圧縮されたガス（３，３ａ，３ｂ，３ｃ；５，５ａ，５ｂ，５ｃ；７，７ａ，７ｂ，７ｃ）に含まれた炭素酸化物をその１０％と７０％との間で前記圧縮されたガス（３，３ａ，３ｂ，３ｃ；５，５ａ，５ｂ，５ｃ；７，７ａ，７ｂ，７ｃ）から分離する、請求項１記載の方法。
  3. 前記圧縮されたガス（３，３ａ，３ｂ，３ｃ；５，５ａ，５ｂ，５ｃ；７，７ａ，７ｂ，７ｃ）の全流を比較的に大きい部分流（３ａ，５ｃ）と比較的に小さい部分流（３ｂ，５ｂ）に分割し、比較的に小さい部分流（３ｂ，５ｂ）だけをＣＯ２ 分離器（６）へ導きかつそこで前記圧縮されたガス（３ｂ，５ｂ）に含まれる炭素酸化物の５０％よりも多く、有利には７０％と９９％との間で前記圧縮されたガスから分離する、請求項１記載の方法。
  4. 前記圧縮ガス（３，３ａ，３ｂ，３ｃ；５，５ａ，５ｂ，５ｃ；７，７ａ，７ｂ，７ｃ）がＣＯ２ 分離器（６）へ侵入する前に熱交換器（４）において冷却される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
  5. タービンにて弛緩された煙ガス（１１）を熱交換器（１２，１２ａ，ｂ）にて冷却するか又は廃熱蒸気発生器（１２）において蒸気を発生するために使用する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
  6. 第１の圧縮器（２，２ａ）の入口へ戻された煙ガスの部分流から、空気（１）を含むガスと混合する前に、凝縮器（１４）にて水を抜き取る、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
  7. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）を直接的に燃焼室（２３）へ導く、請求項２記載の方法。
  8. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）が、まずガス／ガス熱交換器（２１）において、第１の圧縮器（２）から来る圧縮されたガス（３ａ）から熱を奪い、次いで燃焼室（２３）へ導かれる、請求項２記載の方法。
  9. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）をガスタービン（２９）の第２の圧縮器（２ｂ）において引続き圧縮し、この引続き圧縮されたガス（７ｂ）を燃焼室（２３）へ供給する、請求項２記載の方法。
  10. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）を燃焼室（２３）へ直接的に導く、請求項３記載の方法。
  11. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）がまずガス／ガス熱交換器（２１）にて、第１の圧縮器（２）から来る圧縮されたガス（３ｂ）から熱を奪い、次いで燃焼室（２３）へ導かれる、請求項３記載の方法。
  12. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）がタービン（１０）の加熱ガス通路を冷却するために使用される、請求項３記載の方法。
  13. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）がガスタービン（２９）の第２の圧縮器（２ｂ）にて引続き圧縮され、引続き圧縮したガス（７ｃ）を燃焼室（２３）へ供給する、請求項３記載の方法。
  14. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）に、場合によっては第２の圧縮器（２ｂ）におけるさらなる圧縮のあとで酸素が添加される、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
  15. 空気（１）として酸素で富化された空気を使用する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
  16. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガスを、ガス／ガス熱交換器（２１）において、燃焼室（２３）へ侵入する前に、タービン（１０）から出る熱い煙ガス（１１）によって予熱する、請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
  17. タービン（１０）から出る熱い煙ガス（１１）を用いて蒸気を発生させ、発生した蒸気を部分的燃焼室（２３）へ噴射しかつ部分的にＣＯ２ 分離器（６）において使用する、請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法。
  18. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）を後圧縮器（２６）において後圧縮し、後圧縮されたガス（７ｂ）がガス／ガス熱交換器（２１）において、第１の圧縮器（２）から来る圧縮されたガス（３）と熱交換する、請求項１７記載の方法。
  19. ＣＯ２ 分離器（６）から来る圧縮されたガス（７ａ）を燃焼室（２３）へ侵入する前に加湿装置（２２）にて加湿し、加湿されたガスから燃焼室へ侵入する前にガス／ガス熱交換器（２１）において、第１の圧縮器（２）から出る圧縮されたガス（３ａ）から熱（３ａ）を奪う、請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法。
  20. 請求項１による方法を実施するためのエネルギ発生設備（３０）であって、第１の圧縮器（２，２ａ）と、入口と出口と、圧縮されたガス（７ｂ，７ｃ）のための第１の入口、燃料のための第２の入口及び熱い煙ガスのための出口を備えた燃焼室（２３）と、入口及び出口を備えたタービン（１０）とを有し、燃焼室（２３）の出口がタービン（１０）の入口と接続され、タービン（１０）の出口が凝縮器（１４）を介し第１の圧縮器（２，２ａ）の入口と結合されており、第１の圧縮器（２，２ａ）の出口が燃焼室（２３）の第１の入口と結合されており、第１の圧縮器（２，２ａ）の出口にＣＯ２ 分離器（６）が入口側で熱交換器（４）を介して接続されかつ出口側で燃焼室（２３）の第１の入口と結合されている形式のものにおいて、ＣＯ２ 分離器（６）が、第１の圧縮器（２，２ａ）から来る圧縮されたガスの炭素酸化物の７０％よりも多くは分離しないように、ＣＯ２ 分離器（６）が接続されかつ／又は構成されていることを特徴とする、エネルギ発生設備。
  21. 第１の圧縮器（２，２ａ）の出口から唯一の接続導管が燃焼室（２３）の第１の入口に通じており、ＣＯ２ 分離器（６）がこの接続導管に接続されており、ＣＯ２ 分離器（６）がそれを流過するガスの炭素酸化物の７０％よりも多くはＣＯ２ 分離器（６）が分離しないように設計されている、請求項２０記載のエネルギ発生設備。
  22. 第１の圧縮器（２，２ａ）の出口から２つの接続導管が平行に燃焼室（２３）の第１の入口に通じており、ＣＯ２ 分離器（６）が前記２つの接続導管の１つに接続されている、請求項２０記載のエネルギ発生設備。
  23. 第１の圧縮器（２，２ａ）の出口とＣＯ２ 分離器（６）との間に第１の熱交換器（４）が配置され、タービン（１０）の出口と凝縮器（１４）との間に第２の熱交換器又は廃熱蒸気発生器（１２，１２ａ，ｂ）が配置されている、請求項２０から２２までのいずれか１項記載のエネルギ発生設備。
  24. ＣＯ２ 分離器（６）の出口と燃焼室（２３）の第１の入口との間に第２の圧縮器（２ｂ）が配置されている、請求項２０から２３までのいずれか１項記載のエネルギ発生設備。
  25. ＣＯ２ 分離器（６）と燃焼室（２３）の第１の出口との間に、タービン（１０）の出口と接続されたガス／ガス熱交換器（２１）が配置されている、請求項２０から２４までのいずれか１項記載のエネルギ発生設備。
  26. タービン（１０）の出口に蒸気を発生させる装置（１２ａ）が配置され、該装置（１２ａ）が燃焼室（２３）とＣＯ２ 分離器（６）と接続されており、ＣＯ２ 分離器（６）の出口と燃焼室（２３）の第１の入口との間に後圧縮器（２６）とこれに続くガス／ガス熱交換器（２１）とが配置されている、請求項２０から２５までのいずれか１項記載のエネルギ発生設備。
  27. ＣＯ２ 分離器（６）の出口と燃焼室（２３）の第１の入口との間に加湿装置（２２）が配置されている、請求項２０から２５までのいずれか１項記載のエネルギ発生設備。
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