JP2008095686A - 発電プラントエミッションを低減するためのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】発電プラント（８）を提供する。
【解決手段】本発電プラント（８）は、ガスタービンエンジン組立体（１０）を含む。本発電プラント（８）はさらに、ガスタービンエンジン組立体と流れ連通した二酸化炭素（ＣＯ_２）分離器（８０）を含み、ＣＯ_２分離器８０は、ガスタービンエンジンの排気ストリームからＣＯ_２を実質的に除去してＣＯ_２希薄排気ストリームを生成するように構成される。本発電プラント（８）はさらに、ＣＯ_２希薄排気ストリームの作動温度を低下させて、冷却ＣＯ_２希薄排気ストリームを利用してガスタービンエンジン組立体に流入する空気の作動温度を低下させるように構成された膨張器（６２）を含む。
【選択図】 図１

Description

本出願は、総括的には発電設備に関し、より具体的には、温室効果ガスの排出を低減するための発電システム及び方法に関する。

大気汚染に対する世界的な関心により、厳格な汚染物質排出（エミッション）基準が導入されるようになった。これらの基準は、電力産業によって発生される窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃焼炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）のエミッションを規制している。具体的には、二酸化炭素は、温室効果ガスであると認定されており、その結果、大気に放出される二酸化炭素の濃度を低下させるために様々な方法が実施されている。

１つのそのような方法は、アミン処理法を利用して、他の排気ガスから二酸化炭素を分離している。より具体的には、排気ストリームを大気中に放出するのに先立って、公知のガスタービンエンジンの排気ストリーム内にアミンを噴射する。例えば、排気ストリームが大気中に放出される時、排気ストリーム内の二酸化炭素の分圧は、排気ストリーム全圧の約２〜５％である。従って、排気ストリームの全量から比較的少量の二酸化炭素を除去するために、比較的大量のアミンが必要とされる。その結果、排気ストリーム内の他の排気ガスから二酸化炭素を分離するための現在の方法は、比較的高コストであり、また発電プラントに約１０％の電力損失をもたらす。
米国特許第６，６５５，１５０号公報 米国特許第６，２８０，５０５号公報 米国特許第６，２３７，３３９号公報

１つの態様では、発電プラントを提供する。本発電プラントは、ガスタービンエンジン組立体と、該ガスタービンエンジン組立体と流れ連通し、それを利用してガスタービンエンジン排気ストリーム内に同伴されたＣＯ_２を実質的に除去してＣＯ_２希薄排気ストリームを生成するように構成された二酸化炭素（ＣＯ_２）分離器と、ＣＯ_２希薄排気ストリームの作動温度を低下させて、冷却希薄排気ストリームを利用してガスタービンエンジン組立体に流入する空気の作動温度を低下させるのを可能にするように構成された膨張器とを含む。

またここでは、ガスタービンエンジン組立体と二酸化炭素（ＣＯ_２）分離器とを含む発電プラントを、エミッションを低減するのを可能にするように運転する方法を開示する。本方法は、ガスタービンエンジン組立体から吐出された排気ストリームの作動圧力を増大させる段階と、排気ストリームの作動温度を低下させる段階と、ＣＯ_２分離器を利用して排気ストリーム内に同伴された実質的に全てのＣＯ_２を分離して、ＣＯ_２希薄排気ストリームを生成する段階と、ＣＯ_２希薄排気ストリームの作動温度を低下させる段階と、冷却ＣＯ_２希薄排気ストリームを利用して、ガスタービンエンジン組立体に流入する空気の作動温度を低下させるのを可能する段階とを含む。

図１は、例示的なガスタービンエンジン組立体１０を含む発電プラント８の概略図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、コアガスタービンエンジン１２を含み、コアガスタービンエンジン１２は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６及び高圧タービン１８を含む。ガスタービンエンジン組立体１０はまた、低圧圧縮機２０及び低圧タービン２２を含む。高圧圧縮機１４と高圧タービン１８とは、第１のシャフト２４によって結合され、また低圧圧縮機２０は、第２のシャフト２６によって中圧タービン（図示せず）に結合される。この例示的な実施形態では、低圧タービン２２は、シャフト３０を介して発電機２８のような負荷に結合される。この例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジン１２は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓから入手可能なＬＭＳ１００型である。

この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０は、高圧圧縮機１４に流入する加圧空気流の温度を低下させるのを可能にする中間冷却器４０を含むことができる。より具体的には、中間冷却器４０は、低圧圧縮機２０と高圧圧縮機１４との間に流れ連通状態で結合されて、高圧圧縮機１４に供給されるのに先立って、低圧圧縮機２０から吐出された空気流を冷却するようになっている。この例示的な実施形態では、中間冷却器４０は、それを通って流れる作動流体（図示せず）を有する水対空気熱交換器である。例えば、作動流体は、発電プラント８に近接して位置した例えば湖のような水域から送られた原水とすることができる。任意選択的に、中間冷却器４０は、それを通って流れる冷却空気流（図示せず）を有する空気対空気熱交換器である。任意選択的に、ガスタービンエンジン組立体１０は、中間冷却器４０を含まない。

発電プラント８はまた、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）５０を含み、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）５０は、ガスタービンエンジン組立体１０から吐出された比較的高温の排気ストリームを受けかつこの熱エネルギーを該ＨＲＳＧ５０を通って流れる作動流体に伝達して蒸気を発生させるように構成されており、この例示的な実施形態では、発生した蒸気は、蒸気タービン５２を駆動するために使用することができる。さらに、ＨＲＳＧ５０の下流に排水管５４が結合されて、ＨＲＳＧ５０から吐出された排気ストリームから復水を実質的に除去する。

発電プラント８はまた、第２の低圧圧縮機６０、膨張器６２、及び該第２の低圧圧縮機６０を膨張器６２に結合するために使用するシャフト６４を含む。本明細書で使用する場合の膨張器というのは、それを通して高圧ガスを膨張させて、一般的には低圧圧縮機６０のような圧縮機を駆動するために使用する仕事を生み出す遠心又は軸流タービンを意味している。さらに、膨張器６２はまた、当業者にはターボエクスパンダ又は膨張タービンとも呼ばれる。膨張器６２は、シャフト６８を介して電気モータ、ガスタービン又は往復動エンジンのような原動機６６に結合される。従って、原動機６６は、後述するように、膨張器６２によって支援された状態で、低圧圧縮機６０を駆動するために利用される。

発電プラント8はまた、低圧圧縮機６０と膨張器６２との間に流れ連通状態で結合された第2の中間冷却器又は熱交換器７０を含む。運転中に、低圧圧縮機６０から吐出された排気ストリームは、該排気ストリームがＣＯ_２除去ユニット８０及び膨張器６２に供給されるのに先立って、中間冷却器７０を通して送られて冷却される。この例示的な実施形態では、中間冷却器７０は、それを通って流れる作動流体（図示せず）を有する水対空気熱交換器である。例えば、上述したように、作動流体は、発電プラント８に近接して位置した水域から送られた原水とすることができる。任意選択的に、中間冷却器７０は、それを通って流れる冷却空気流（図示せず）を有する空気対空気熱交換器である。膨張器６２から吐出された排気ストリームは次に、第３の熱交換器７２に供給されて、後述するように、ガスタービンエンジン組立体１０に供給される入口空気の作動温度を低下させるのを可能にする。

運転時に、ガスタービンエンジン組立体１０に吸い込まれた周囲空気は、熱交換器７２を通って流れて、該ガスタービン組立体に供給される周囲空気の作動温度を低下させるのを可能にする。ガスタービンエンジン組立体１０は、当技術分野で公知なように作動し、従って、約６００〜１３００°Ｆの温度を有する排気ストリームを生成する。ガスタービンエンジン組立体１０から吐出された排気ストリームは、ＨＲＳＧ５０を通して送られ、ＨＲＳＧ５０において、排気ストリームからの熱エネルギーの大きな部分が、該ＨＲＳＧ５０を通して送られる作動流体に伝達されて蒸気を発生し、この蒸気は、上述したように、蒸気タービン５２を駆動するために利用することができる。ＨＲＳＧ５０は、排気ストリームの作動温度を約７５°Ｆ〜約１２５°Ｆの温度まで低下させるのを可能にする。この例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ５０は、排気ストリームの作動温度を約１００°Ｆの温度まで低下させるのを可能にする。１つの実施形態では、排気ストリームはまた、付加的な熱交換器（図示せず）を通して送って該排気ストリームからさらに水を凝縮させ、この凝縮した水を次に、例えば排水管５４を通して排出することができる。

比較的低温の乾燥排気ストリームは次に、この例示的な実施形態では、膨張器６２によって、また必要に応じて原動機６６によって駆動される第２の低圧圧縮機６０内で加圧される。第２の低圧圧縮機６０を利用して、該第２の低圧圧縮機６０を通して送られる排気ストリームの作動圧力は、ガスタービンエンジン組立体１０から吐出された排気ストリームの作動圧力よりも約４倍大きい圧力まで増大される。さらに、第２の低圧圧縮機６０を通して排気ストリームを送ることにより、排気ストリームの温度が上昇することになる。第２の低圧圧縮機６０から吐出された排気ストリームは次に、第２の中間冷却器７０を通して送られて、その作動温度を低下させることが可能になる。この例示的な実施形態では、第２の中間冷却器７０は、排気ストリームの作動温度を約１００°Ｆの温度まで低下させるのを可能にする。

中間冷却器７０から吐出された高圧かつ比較的乾燥したＣＯ_２濃厚排気ストリームは次に、アミン溶液と接触させられて、ＣＯ_２分離器８０を利用して、該排気ストリーム内に同伴されたＣＯ_２の実質的に全てが吸収されることが可能になる。さらに、ＣＯ_２アミンストリームは、第２の中間冷却器７０を利用して加熱して、アミン溶液からＣＯ_２を放出／蒸発させるのに必要な実際のエネルギー量を減少させるのを可能にすることができる。排気ストリームから抽出されたＣＯ_２は次に、圧縮機８２内で圧縮される。圧縮ＣＯ_２は、所望に応じて、ビン詰めにして販売するか、或いは枯渇した油井内に噴射させるための配管に吐出することができる。

ＣＯ_２分離器から吐出されたＣＯ_２希薄排気ストリームは次に、膨張器６２を通って膨張し、この膨張器６２が加圧排気ガスから仕事を取り出して低圧圧縮機６０を駆動し、従って排気ストリームの温度を大きく低下させるのを可能にする。例えば、１つの実施形態では、分離器６２から吐出された排気ストリームの温度は、約３０〜−３０°Ｆである。この例示的な実施形態では、分離器６２から吐出された排気ストリームの温度は、約−２０°Ｆである。

比較的低温の排気ストリームは次に、熱交換器７２を通して送られて、入口空気ストリームを冷却するのを可能にしかつガスタービンエンジン組立体１０に送られる空気流の空気密度を高め、従ってコアガスタービンエンジン１２の効率及び出力を増大させるのを可能にする。その結果、ガスタービンへの空気流の入口温度の低下は、その質量流量及び効率を増大させて、ＣＯ_２隔離プロセスの経済的影響を軽減する。

図２は、別の例示的な発電プラント１００の概略図である。発電プラント１００は、図１に示す発電プラント８と実質的に同様である。従って、図１に示す構成要素と同様な図２に示す構成要素は、同じ参照符号で特定することにする。この例示的な実施形態では、発電プラント１００は、熱交換器７２を含んでおらず、膨張器６２から吐出された比較的低温の乾燥排気ストリームは、ガスタービンエンジン組立体１０の入口内に直接吐出される第１の空気ストリーム部分１１０と、第２の低圧圧縮機の上流に配置された熱交換器１２０を通して送られる第２の空気ストリーム部分１１２とに分離される。

運転時に、第１の空気ストリーム１１０は、ガスタービンエンジン組立体１０に供給される入口空気ストリーム内に直接送られる。より具体的には、新鮮な流入空気ストリーム内に依然として同伴されている全ての水分は、凝縮されて比較的小さな又は微小な水滴になり、それらの水滴は、空気ストリーム１１０と混合した時に微細な霧又はミストを生成する。霧又はミストは次に、低圧圧縮機２０内に送り込まれ、低圧圧縮機２０において、水滴は蒸気して、コアガスタービンエンジン１２に供給される空気流の作動温度を低下させるのを可能にする。その結果、コアガスタービンエンジン１２内へ送り込まれる空気流の温度が低下し、従って加圧プロセスに必要な仕事を減少させ、またガスタービンエンジン組立体１０の全体効率を増大させる。ストリーム１１０の酸素成分は、ガスタービン１０における燃焼プロセスによって減少する。新鮮な空気とのこのストリームの混合により、燃焼器１６内での燃焼空気の正味酸素成分の減少が生じて、燃焼器におけるＮＯｘ形成を減少させることが可能になる。

第２の排出空気ストリーム１１２は、熱交換器１２０を通して送られて、第２の低圧圧縮機６０内に送り込まれるその排気ストリームから熱エネルギーを除去するのを可能にし、かつその排気ストリームが第２の低圧圧縮機６０に流入するのに先立って、該排気ストリーム内に同伴された水を凝縮及び除去するのを可能にする。

図３は、別の例示的な発電プラント２００の概略図である。発電プラント２００は、図１に示す発電プラント８と実質的に同様である。従って、図１に示す構成要素と同様な図３に示す構成要素は、同じ参照符号で特定することにする。この例示的な実施形態では、発電プラント２００はまた、第１の除湿剤空気乾燥システム２１０及び第２の除湿剤空気乾燥システム２１２を含む。第１の除湿剤空気乾燥システム２１０は、熱交換器７２の上流に配置されて、該第１の除湿剤空気乾燥システム２１０から吐出された排気ストリームが、熱交換器７２を通してガスタービンエンジン組立体１０内に送られるようになる。さらに、第２の除湿剤空気乾燥システム２１２は、ＣＯ_２分離器８０の下流にかつ膨張器６２の上流に配置されて、該ＣＯ_２分離器８０から吐出されたＣＯ_２希薄排気ストリームが、膨張器６２内に直接送り込まれるようになる。運転時に、第１の除湿剤空気乾燥システム２１０は、入口空気から水分を除去するのを可能して、このシステムが入口空気の温度を約４０°Ｆ以下の温度まで低下させ、従ってガスタービンエンジン組立体１０の表面上での氷生成を排除することを可能にする。さらに、第２の除湿剤空気乾燥システム２１２は、膨張器６２に送られる排気ストリーム内に同伴された水分を除去するのを可能にし、膨張器６２が排気ストリームからエネルギーを取り出すことを可能にして、該膨張器の出口温度が着氷条件よりも低くなることを可能にする。

図４は、図３に示す発電プラント２００で利用することができる例示的な除湿剤システム２１０の概略図である。この実施形態では、除湿剤システム２１０及び２１２は各々、空気接触器３００、第１の熱交換器３０２、第２の熱交換器３０４、第３の熱交換器３０６、接触器ボイラ３０８、第１の除湿剤ポンプ３１０、第２の除湿剤ポンプ３１２及び冷却塔３１４を含む。

使用中に、湿潤入口空気は、空気接触器３００を通して送られ、該空気接触器３００において、入口空気の水分は、それを通って流れる除湿剤により実質的に吸収される。水分を含んだ液体除湿剤は、第１の除湿剤ポンプ３１０を利用して第１の熱交換器３０２を通して送られる。第１の熱交換器３０２は、それを通って流れる水分を含んだ除湿剤の温度を上昇させるために利用される。この例示的な実施形態では、水分を含んだ除湿剤の温度は、それを通って流れる作動流体を利用して高められ、この作動流体は、この例示的な実施形態では、比較的温かい液体除湿剤であり、システム２１０及び２１２をより明確に記述するために本明細書では「乾燥除湿剤」と呼ぶことにする。従って、温かい液体除湿剤を利用して、熱交換器３０２内で水分を含んだ除湿剤の作動温度を上昇させる。部分的に加熱された湿潤除湿剤は次に、熱交換器３０６を通して送られ、該熱交換器３０６において、ガスタービンエンジン排気ストリームの熱エネルギーは、湿潤除湿剤によって吸収されて、湿潤除湿剤の温度がさらに上昇し、この湿潤除湿剤は次に、接触器ボイラ３０８を通して送られ、該接触器ボイラ３０８において、除湿剤の水分が除去されて、乾燥除湿剤を生成する。乾燥除湿剤は次に、第２の除湿剤ポンプ３１２を利用して熱交換器３０２を通して送られて、上記したように湿潤除湿剤を加熱する。乾燥除湿剤は次に、熱交換器３０４を通して送られて、乾燥除湿剤の更なる冷却を可能にする。より具体的には、またこの例示的な実施形態では、熱交換器３０４は、冷却塔３１４から冷却水を受けて乾燥除湿剤を冷却するように構成された水対空気熱交換器である。冷却した乾燥液体除湿剤は次に、空気接触器３００を通して送られ、該空気接触器３００において、このプロセスが連続的に反復されて、入口空気から水分が除去される。

本明細書に記載したのは、発電プラントのエミッションを低減すると共に発電プラントの効率を増大させるための方法及びシステムである。本方法は、ガスタービンエンジン組立体から吐出された排気ガスの作動圧力を増大させる段階と、ＣＯ_２分離器を利用して排気ガス内に同伴された実質的に全てのＣＯ_２を分離して、ＣＯ_２希薄空気ストリームを生成する段階と、ＣＯ_２希薄空気ストリームの作動温度を低下させる段階と、冷却ＣＯ_２希薄空気ストリームを利用して、ガスタービンエンジン組立体に流入する空気の作動温度を低下させるのを可能する段階とを含む。

より具体的には、ガスタービンエンジンへの空気流の入口温度を低下させることにより、その質量流量及び効率を増大させることが可能になり、従って本明細書に記述したＣＯ_２隔離プロセスの経済的影響を軽減する。さらに、ＣＯ_２抽出システムの空気循環機械の排気を使用してガスタービン入口空気流を冷却して、発電プラント全体に対するＣＯ_２隔離システムの影響を減少させることができる。本明細書に記述したＣＯ_２抽出システムはまた、あらゆる複合サイクルガスタービン発電プラントと共に使用して、排気ガスからＣＯ_２を抽出することができ、従って例えば地中にＣＯ_２を再噴射して石油回収を高めるようにするか或いはＣＯ_２をビン詰めして販売するのを可能にすることによって温室効果ガスの排出を低減することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。

例示的な発電プラントの概略図。 別の例示的な発電プラントの概略図。 別の例示的な発電プラントの概略図。 図３に示す発電プラントで利用することができる例示的な除湿剤システムの概略図。

符号の説明

８ 発電プラント
１０ ガスタービンエンジン組立体
１２ コアガスタービンエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧圧縮機
２２ 低圧タービン
２４ 第１のシャフト
２６ 第２のシャフト
２８ 発電機
３０ シャフト
４０ 中間冷却器
５０ 熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
５２ 蒸気タービン
５４ 排水管
６０ 低圧圧縮機
６２ 膨張器
６４ シャフト
６６ 原動機
６８ シャフト
７０ 第２の中間冷却熱交換器
７２ 第３の熱交換器
８０ ＣＯ_２分離器
８２ 圧縮機
１００ 発電プラント
１１０ 第１の空気ストリーム部分
１１２ 第２の空気ストリーム部分
１２０ 熱交換器
２００ 発電プラント
２１０ 除湿剤空気乾燥システム
２１２ 除湿剤空気乾燥システム
３００ 空気接触器
３０２ 第１の熱交換器
３０４ 第２の熱交換器
３０６ 第３の熱交換器
３０８ 接触器ボイラ
３１０ 第１の除湿剤ポンプ
３１２ 第２の除湿剤ポンプ
３１４ 冷却塔

Claims (7)

1. ガスタービンエンジン組立体（１０）と、
   前記ガスタービンエンジン組立体と流れ連通し、ガスタービンエンジン排気ストリームからＣＯ_２を実質的に除去してＣＯ_２希薄排気ストリームを生成するように構成された二酸化炭素（ＣＯ_２）分離器（８０）と、
   前記ＣＯ_２希薄排気ストリームの作動温度を低下させて、該冷却ＣＯ_２希薄排気ストリームを利用して前記ガスタービンエンジン組立体に流入する空気の作動温度を低下させるように構成された膨張器（６２）と、
   を含む発電プラント（８）。
2. 前記排気ストリームの作動圧力を増大させるように構成された圧縮機をさらに含む、請求項１記載の発電プラント（８）。
3. 前記ＣＯ_２分離器（８０）が、前記ガスタービンエンジン組立体（１０）から吐出された排気ストリームの実質的に全てを受けるように構成される、請求項１記載の発電プラント（８）。
4. 前記排気ストリームを受けかつ該排気ストリームの作動温度を低下させるように構成された熱回収蒸気発生器（５０）をさらに含む、請求項１記載の発電プラント（８）。
5. 前記圧縮機から吐出された排気ストリームを受けかつ該排気ストリームの作動温度を低下させるように構成された中間冷却器（４０）をさらに含む、請求項２記載の発電プラント（８）。
6. 前記膨張器（６２）から吐出された排気ストリームを受けかつ前記冷却ＣＯ_２希薄排気ストリームを利用して前記ガスタービンエンジンの入口空気流の作動温度を低下させるように構成された熱交換器（７０）をさらに含む、請求項１記載の発電プラント（８）。
7. 前記ガスタービンエンジンの入口空気流から水分を実質的に除去するように構成された第１の除湿剤空気乾燥システム（２１０）をさらに含む、請求項１記載の発電プラント（８）。

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