JP2008115863A

JP2008115863A - 二酸化炭素の単離を伴う発電用システム及び方法

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Publication number: JP2008115863A
Application number: JP2007285660A
Authority: JP
Inventors: Matthias Finkenrath; マチアス・フィンケンラス; Michael Bartlett; マイケル・バートレット
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2008-05-22
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Abstract

【課題】炭素含有燃料に依拠する発電システムから排出されるＣＯ_２の経済的な回収を可能とする。
【解決手段】発電システム１０は第１のタービンシステム１１、２以上の段を有する第１の圧縮機セクション１２を備える。２つの段は、第１の高圧圧縮機１４と流体連通した第１の低圧圧縮機１６を備えており、圧縮酸化剤の第１の部分及び圧縮酸化剤の第２の部分を供給するように構成される。第１の燃焼室２２が、圧縮酸化剤の第１の部分と炭素系燃料とを含む第１の燃料流を燃焼させて第１の高温煙道ガスを発生するように構成される。さらに、第１の高温煙道ガスの受入口を有していてＣＯ_２リッチな第１の膨張排ガスを発生する第１のエキスパンダーセクション１８を備え、第１の排気及び電気エネルギーを発生するように構成された第１の低圧エキスパンダー２０と流体連通している。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に発電及び二酸化炭素の効率的な回収に関する。具体的には、本発明は、ガスタービン排気の圧縮及び再循環と二酸化炭素の分離及び回収との統合に関する。

例えば化石燃料などの炭素含有燃料を燃焼させる発電システムは、燃焼時に炭素がＣＯ_２に転化されるので、副生成物として二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生する。化石燃料を用いた発電プラントからの二酸化炭素（ＣＯ_２）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。ＣＯ_２排出コストの増加に伴って、ＣＯ_２排出量の削減は経済的な発電にとって重要である。ガスタービンの排気のような発電システムからの二酸化炭素（ＣＯ_２）の除去又は回収は、一般に排気の低いＣＯ_２含有量及び低い（周囲）圧力のため経済的でない。したがって、ＣＯ_２を含有する排気は通例は大気中に放出され、海洋、鉱山、油井、地質学的塩貯留層などには隔離されない。

ガスタービンプラントはブレイトンサイクルに基づいて動作する。ガスタービンプラントでは、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ＣＯ_２排出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ＣＯ_２を回収するもので、燃焼中に生成したＣＯ_２を吸収法、メンブレン、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ＣＯ_２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Ｈ_２及びＣＯ_２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ＣＯ_２回収法の主な短所は、煙道ガス中のＣＯ_２濃度が低い（天然ガス燃料発電所では通例３〜４体積％）のでＣＯ_２分圧が低く、ＣＯ_２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ＣＯ_２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、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ＣＯ_２分圧及び大きいガス体積は、ＣＯ_２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。そこで、炭素含有燃料に依拠する発電システム（例えば、ガスタービン）から排出されるＣＯ_２の経済的な回収が可能となる技術に対するニーズが存在している。

一態様では、発電システムは第１のタービンシステムを備える。第１のタービンシステムは、２以上の段を有する第１の圧縮機セクションを備える。この２つの段は、第１の高圧圧縮機と流体連通した第１の低圧圧縮機を含んでおり、圧縮酸化剤の第１の部分及び圧縮酸化剤の第２の部分を供給するように構成される。第１の燃焼室は、圧縮酸化剤の第１の部分と炭素系燃料とを含む第１の燃料流を燃焼させて第１の高温煙道ガスを発生するように構成される。第１のタービンシステムはさらに、第１の高温煙道ガスの受入口を有していてＣＯ_２リッチな第１の膨張排ガスを発生する第１のエキスパンダーセクションを備える。第１の高圧エキスパンダーは、第１の排気及び電気エネルギーを発生するように構成された第１の低圧エキスパンダーと流体連通している。ＣＯ_２分離システムが、第１の高圧エキスパンダーから第１の膨張排ガスを受け取るため高圧エキスパンダーと流体連通していて、ＣＯ_２分離システムから次いで第１の低圧エキスパンダーにＣＯ_２リーンガスが供給される。発電システムは、２以上の段を有する第２の圧縮機セクションを具備した第２のタービンシステムも備えている。この２つの段は、第２の高圧圧縮機と流体連通した第２の低圧圧縮機を備えており、高圧圧縮機は圧縮酸化剤の第２の部分を受け取るように構成される。第２の燃焼室は、炭素系燃料を含む第２の燃料流を燃焼させて第２の高温煙道ガスを発生するように構成されており、第２のエキスパンダーセクションは第２の高温煙道ガスを受け取って第２の最終排気及び電気エネルギーを発生するように構成される。第２の圧縮機セクションは、二酸化炭素を含む第２の最終排気を受け取り、第２の高圧圧縮機から第２の燃焼室に再循環流を排出するとともに第２の低圧圧縮機から第１の高圧圧縮機に分流を排出するように構成される。

別の態様では、発電システムは第１のタービンシステムを備える。第１のタービンシステムは、２以上の段を有する第１の圧縮機セクションを備える。この２つの段は、第１の高圧圧縮機と流体連通した第１の低圧圧縮機を備えており、第１の低圧圧縮機は圧縮酸化剤の第１の部分を供給するように構成され、高圧圧縮機は第１の圧縮混合流を供給するように構成される。第１の燃焼室は、炭素系燃料を含む第１の燃料流及び第１の圧縮混合流を燃焼させて第１の高温煙道ガスを発生するように構成される。第１のタービンシステムはさらに、第１の高温煙道ガスの受入口を有していて２以上の段を有する第１のエキスパンダーセクションを備える。２つの段は第１の高圧エキスパンダーを備えており、第１の高圧エキスパンダーは第１の最終排気及び電気エネルギーを発生するように構成された第１の低圧エキスパンダーと流体連通している。発電システムは、２以上の段を有する第２の圧縮機セクションを具備した第２のタービンシステムも備えている。この２つの段は、第２の高圧圧縮機と流体連通した第２の低圧圧縮機を備えており、低圧圧縮機は分流を発生するように構成され、高圧圧縮機は第２の混合流を発生するように構成される。第２の燃焼室は、第２の混合流及び炭素系燃料を含む第２の燃料流を燃焼させて第２の高温煙道ガスを発生するように構成される。発電システムは、第１及び第２の圧縮機セクションと流体連通したＣＯ_２分離システムも備えている。ＣＯ_２分離システムは、分流を受け取ってＣＯ_２リーン流を発生するように構成される。第２の圧縮機セクションは、二酸化炭素を含む第２の最終排気を受け取って、高圧圧縮機から第２の燃焼室に第２の混合流を排出するように構成される。

さらに別の態様では、圧縮機セクションで酸化剤を圧縮して圧縮酸化剤の第１の部分及び第２の部分を生成する段階と、第１の燃料及び圧縮酸化剤の第１の部分を燃焼させて高温煙道ガスを生成する段階とを含む発電方法について開示する。本方法は、エキスパンダーセクションで高温煙道ガスを膨張させて電気エネルギーを発生する段階も含んでおり、エキスパンダーセクションは高温煙道ガスを受け取るように構成されていて、２以上の段を有している。この２つの段は、ＣＯ_２リッチな第１の膨張排ガスを発生するように構成された第１の高圧エキスパンダーを備える。高圧エキスパンダーは、第１の最終排気及び電気エネルギーを発生するように構成された低圧エキスパンダーと流体連通している。本方法はさらに、ＣＯ_２分離器内で第１の膨張排ガスからＣＯ_２を分離する段階と、ＣＯ_２リーンガスを低圧エキスパンダー内に導入する段階と、圧縮機セクションで圧縮酸化剤の第２の部分を圧縮する段階とを含む。圧縮機セクションは２以上の段を有している。この２つの段は、第２の高圧圧縮機と流体連通した第２の低圧圧縮機を備えており、高圧圧縮機は圧縮酸化剤の第２の部分を受け取るように構成される。本方法は、炭素系燃料を含む第２の燃料流及び再循環流を燃焼させて第２の高温煙道ガスを発生する段階と、第２の高温煙道ガスを膨張させて第２の最終排気及び電気エネルギーを発生する段階も含んでいる。第２の圧縮機セクションは、二酸化炭素を含む第２の最終排気を受け取り、第２の高圧圧縮機から再循環流を排出するとともに第２の低圧圧縮機から第１の高圧圧縮機に分流を排出するように構成される。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参酌して以下の詳しい説明を参照することによって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、発電にガスタービンを利用する発電所で高圧下でＣＯ_２を分離することによってＣＯ_２排出量を低減する方法を提供する。ＣＯ_２は、ガスタービンの膨張経路又は圧縮経路の途中でＣＯ_２リッチな煙道ガスから除去される。ＣＯ_２の濃度及び分圧の増加に伴って、ＣＯ_２を除去するためのエネルギーペナルティが少なくなることが認められる。

本発明の一実施形態は、発電システム内で動作する２以上の例示的なガスタービンを提供するが、これらのタービンシステムは圧縮経路の途中で相互に結合され、かつ圧縮酸化剤の共通供給源を共有する。その結果、ガスタービンの結合はプロセス内でのＣＯ_２濃度の増加をもたらし、これはＣＯ_２分離プロセスにとって有益である。一実施例では、第１のタービンシステム内の圧縮機が、（管路を通して）第１のタービンシステム内の燃焼室に酸化剤を供給するとともに第２のタービンシステム内の燃焼室に酸化剤を供給する。以下で説明する通り、これを使用することによって、１以上のガスタービンの排気から、第２のタービンシステム内の再循環流中のＣＯ_２濃度を増加させることができる。回収されたＣＯ_２は、例えば、製品として販売し、原油回収の向上のために使用し、或いは他のプロセスへの供給材料として現場で消費することができる。さらに、このようなＣＯ_２の回収は、発電システムから環境に排出されるＣＯ_２の量を低減させることができる。

次に図１について説明すると、ガスタービンシステム１１を有する例示的な発電システム１０が示されている。ガスタービンシステム１１は、一般に、通例２以上の段を有する第１の圧縮機セクション１２を備える。図１に示す例示的な実施形態では、第１の圧縮機セクション１２は第１の高圧圧縮機１６と流体連通した第１の低圧圧縮機１４を備えており、圧縮酸化剤の第１の部分３４及び圧縮酸化剤の第２の部分３６を供給するように構成される。第１のタービンシステム１１はまた、第１の燃焼室２２と、圧縮機１４及び１６並びに発電機５０を駆動するのに必要なエネルギーを供給するための第１のエキスパンダーセクション１８とを備える。第１の燃焼室２２は、圧縮酸化剤の第１の部分３４及び炭素系燃料を含む第１の燃料流２６を燃焼させて第１の高温煙道ガス３１を発生するように構成される。

第１のエキスパンダーセクション１８は第１の高温煙道ガス３１の受入口を有し、２以上の段を有するように構成される。２つの段は、ＣＯ_２リッチな第１の膨張排ガス３８を発生するように構成された第１の高圧エキスパンダー２０を備える。第１の高圧エキスパンダー２０は、第１の最終排気５２及び電気エネルギーを発生するように構成された第１の低圧エキスパンダー２２と流体連通している。

第１のタービンシステム１１はさらに、第１の高圧エキスパンダー２０から第１の膨張排ガス３８を受け取るため第１の高圧エキスパンダー２０と流体連通し、第１の低圧エキスパンダー２２にＣＯ_２リーンガス４８を供給するＣＯ_２分離システム２８を備える。

発電システム１０はまた、２以上の段を有するように構成された第２の圧縮機セクション６４を含む第２のタービンシステム６２を備える。２つの段は、第２の高圧圧縮機７０と流体連通した第２の低圧圧縮機６８を備える。第２の高圧圧縮機７０は、圧縮酸化剤の第２の部分３６を受け取って再循環流７１を発生するように構成される。第２の燃焼室７２は、炭素系燃料を含む第１の燃料流８２及び再循環流７１を燃焼させて第２の高温煙道ガス７３を発生するように構成される。

第２のエキスパンダーセクション６６は、第２の高温煙道ガス７３を受け取るように構成される。第２のエキスパンダーセクション６６は通例２以上の段を有するように構成されていて、２以上の段は第２の膨張排ガス７５を発生するように構成された第２の高圧エキスパンダー７４を備える。第２の高圧エキスパンダー７４は、第２の最終排気８８を発生すると共に発電機８６によって電気エネルギーを発生するように構成された第２の低圧エキスパンダー７６と流体連通している。ある実施形態では、第２のエキスパンダーセクション６６は単一の段を有している。

第２の圧縮機セクション６４は、二酸化炭素を含む第２の最終排気８８を受け取り、高圧圧縮機７０から第２の燃焼室７２に再循環流７１を供給するとともに低圧圧縮機６８から第１の高圧圧縮機の入口に分流８４を供給するように構成される。

図１の実施形態に示すように、ＣＯ_２分離システム２８は有利には熱交換器４０及びＣＯ_２分離器４４を備える。ＣＯ_２分離器４４には、特に限定されないが、圧力スイング吸着、化学吸収及びメンブレン分離などを含む、当技術分野で知られている様々な技術を適用できる。第１の膨張排ガス流３８からのＣＯ_２の分離には、第１の膨張排ガス３８を熱交換器４０内に導入して温度を低下させ、冷却された第１の膨張排ガス４２を生成する。冷却された第１の膨張排ガス４２をＣＯ_２分離器４４内に導入してＣＯ_２リッチ流１１０及びＣＯ_２リーン流４６を発生する。ＣＯ_２リーン流４６は、さらにＣＯ、Ｎ_２及び未反応燃料を備える。ＣＯ_２リーン流４６を熱交換器４０内に導入し、第１の膨張排ガス３８中の熱含量を回収して加熱されたＣＯ_２リーン流４８を発生する。ＣＯ_２リーン流４８を低圧エキスパンダー２２内に導入してさらに膨張させることで電気エネルギーを発生させる。

気体の混合物から二酸化炭素を分離するために圧力スイング吸着（ＰＳＡ）を使用することができる。ＰＳＡ技術では、高い分圧で、固体モレキュラーシーブが二酸化炭素を他の気体より強く吸着することができる。その結果、高温では、二酸化炭素が気体の混合物から除去され、この混合物は吸着ベッドを通過する。ベッドの再生は、減圧及びパージングによって達成される。通例は臨界操作のため、二酸化炭素の連続分離用として複数の吸着容器を使用し、１つの吸着ベッドを使用している間に他のベッドを再生する。

ガス流から二酸化炭素を分離するためにメンブレン分離技術を使用することもできる。メンブレン法は、一般に吸収法よりもエネルギー効率がよく、かつ操作が容易である。高温二酸化炭素分離のために使用されるメンブレンには、ＣＯ_２に対して選択性を有するゼオライト及びセラミックメンブレンがある。通例、メンブレン分離器は圧力が高いほど効率よく働き、冷却された第１の排ガス流３８から二酸化炭素を分離するためのメンブレン分離器の使用は、高圧エキスパンダーの出口の高圧によって促進される。また、ＣＯ_２の分離のために利用可能な高圧はＣＯ_２分離器４４のサイズを縮小し、それによってＣＯ_２分離プロセスの実行可能性及び経済性を向上させる。発電及びＣＯ_２分離の総合効率は、高温メンブレンを用いてＣＯ_２を分離することによってさらに向上する。

第１の膨張排ガス３８からＣＯ_２を分離するためのさらに別の技術としては、特に限定されないが、アミンを用いたＣＯ_２の化学吸収が挙げられる。第１の膨張排ガス３８は、アミンを用いた二酸化炭素の化学吸収の使用に適した温度まで冷却すればよい。この技術は、比較的低温で二酸化炭素を吸収する能力を有し、かつリッチソルベントの温度を上昇させることによって容易に再生されるアルカノールアミン又は他の溶媒に基づいている。リッチソルベントの再生後には二酸化炭素リッチ流１１０が得られる。この技術で用いる溶媒としては、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミン及びメチルジエタノールアミンが挙げられる。ＣＯ_２の別の分離技術としては、物理吸収が挙げられる。なお、ＣＯ_２を有利に分離するため、ＣＯ_２分離に関して上述した技術のすべて又は任意の技術の組合せを使用できる。

ＣＯ_２分離システム２８内の熱交換器４０は、通例は２つのガス流（即ち、第１の膨張排ガス流３８及びＣＯ_２リーン流４６）を取り扱うガス−ガス熱交換器である。第１の膨張排ガス流３８の体積は、ＣＯ_２分離器４４から出て来るＣＯ_２リーン流４６の体積より大きい。これは、ＣＯ_２分離器４４内で第１の膨張排ガス流３８からＣＯ_２が単離されるからである。したがって、熱交換器４０内で第１の膨張排ガス流３８から放出される熱量はＣＯ_２リーン流４６を加熱する際に十分に利用されないことがあるが、このような過剰の熱は化学吸着法を使用する場合にはＣＯ_２分離器内の溶媒を再生するために利用できる。ある実施形態では、ＣＯ_２分離システムはさらに、第１の膨張排ガス３８から水分を除去し、それによってＣＯ_２リーン流４６の体積をさらに縮小するための水除去システムを備えていてもよい。したがって、水除去ユニットを含むことで、溶媒再生のために利用できる過剰の熱は増加する。熱交換器４０からの過剰の熱の効果的な利用により、発電システム１０の総合効率は高まる。

ある実施形態では、運転に際し、酸化剤２４は第１の低圧圧縮機１４で約２〜約１０バールに圧縮され、第１の中間冷却器１７で冷却される。圧縮中における中間冷却の基本原理は、例えば高圧圧縮機１６で所望圧力への最終圧縮を行う前に、ガスを部分的に圧縮して冷却することを含む。このようにすれば、圧縮の仕事が減少し、かくしてサイクル過程の出力は増加する。既存の航空転用型ガスタービンは圧縮段間に配設された中間冷却器を含むので、かかるシステム中に中間冷却器を組み込むためにタービン設計を追加変更する必要はない。同様に、圧縮された第２の最終排気１０２を冷却するため、第２の低圧圧縮機６８と第２の高圧圧縮機７０との間に第２の中間冷却器１０４が配設されている。

第１のタービンシステム１１は、さらに第１の熱回収蒸気発生器（以後はＨＲＳＧ）５４を備える。第１のＨＲＳＧ５４は、第１のエキスパンダーセクション１８からの第１の最終排気５２の熱含量を用いて蒸気の第１の部分５６及び冷却された第１の最終排気６０を発生するように構成される。ＣＯ_２分離システム２８は第１の燃焼室２２で発生された高温煙道ガス３１のＣＯ_２含量を分離するように構成されているので、ＣＯ_２分離器４４での高いＣＯ_２分離速度の下では、大気中に放出される冷却された最終排気６０は実質的にＣＯ_２を含まない。第１のＨＲＳＧ５４で発生される蒸気の第１の部分５６は、続いて図１に示すように蒸気サイクルで使用される。同様に、第２のタービンシステム６２は、通例は第２の熱回収蒸気発生器（以後はＨＲＳＧ）９０を備える。第２のタービンシステム６２で発生される第２の最終排気流８８は、第２のＨＲＳＧ９０内に導入できる。この実施形態では、第２のＨＲＳＧ９０は一般に閉ループＨＲＳＧであって、通例は大気中に逃がす流れは存在しない。第２の最終排気流８８の熱含量を水流９４で回収することによって蒸気の第２の部分９２を生成できる。第１のＨＲＳＧ５４で発生される蒸気の第１の部分５６及び第２のＨＲＳＧ９０で発生される蒸気の第２の部分９２を蒸気タービン（図示せず）で使用することによって、電気エネルギーを発生できる。図示されたＨＲＳＧの代わりに、他のボトミング熱回収方法を別法として適用することもできる。

本明細書に記載される発電システムの様々な実施形態では、酸化剤は周囲空気である。第１の圧縮機セクション１２からの圧縮酸化剤は、例えば酸素リッチな空気、酸素の少ない空気及び／又は純粋な酸素のような任意の好適な酸素含有ガスであってもよいことはいうまでもない。

第１の燃料流２６及び第２の燃料流８２としては、天然ガス、メタン、ナフサ、ブタン、プロパン、合成ガス、ディーゼル、灯油、航空燃料、石炭由来燃料、バイオ燃料、酸素化炭化水素供給原料及びそれらの混合物など任意の好適な炭化水素ガス又は液体が挙げられる。一実施形態では、燃料は主として天然ガス（ＮＧ）であり、したがって第１の燃焼室２２からの第１の高温煙道ガス３１及び第２の燃焼室７２からの第２の高温煙道ガス７３は、水、二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ_２）、未燃焼燃料その他の化合物を含む。

第２のＨＲＳＧ９０からの冷却された第２の最終排気流９６は、一般に排ガス冷却器又は水分分離器９８内に導入することによって、第２の燃焼室７２内での燃焼過程で生成された水を分離する。排ガス冷却器９８は、圧縮機６８の入口条件（特に温度）を調節するために使用できる。水分分離器９８からの放出流１００は、通例は少なくともＣＯ_２及びＮ_２を含む。排出流１００は、一般に第２の圧縮機セクション６４で圧縮されて圧縮流１０２を発生する。運転に際しては、始動後の初期運転段階中には、圧縮流１０２中のＣＯ_２の濃度は実質的に高くないことがあり、したがって流れ１０２の全体を圧縮酸化剤の第２の部分３６と共に再循環流７１として第２の燃焼室７２に戻して再循環させることができる。この再循環操作は、一般に圧縮流１０２中のＣＯ_２濃度を増加させる。圧縮流１０２中のＣＯ_２濃度が所望のレベルに達したとき、分流８４を第１の高圧圧縮機１６内に導入できる。制御弁構成（図示せず）を採用して、第１の燃焼室２２への分流８４の分岐及び導入を容易にすることができる。例えば、分流を送る管路中に制御弁を配設すると共に、制御弁の動作を、圧縮流１０２中のＣＯ_２の濃度を測定するオンライン計器又はセンサーに結び付けることができる。したがって、第１の燃焼室２２を出る第１の高温煙道ガス３１中のＣＯ_２濃度は、再循環流７１及び分流８４を調節して第２のタービンシステム内のＣＯ２濃度を増加させることによって最大になる。

図１に示すこの例示的な実施形態では、実質的な二酸化炭素単離が達成できる。大形のＣＯ_２分離器４４の場合、第１の燃焼室２２から発生される第１の最終排気５２からは二酸化炭素が実質的に除去され、大気中に逃がされる冷却された第１の最終排気流６０が放出する二酸化炭素の量は、ＣＯ_２回収を伴わない同等な技術に比べて顕著に少ない。第２の燃焼室７２内で生成される二酸化炭素は、再循環流７１中に濃縮することができる。分流８４中のＣＯ_２含量は、第１の燃焼室２２内で発生されるＣＯ_２と共にＣＯ_２分離システム２８で分離され、ＣＯ_２流１１０は二酸化炭素の需要に応じて隔離しておくか又は市場で販売することができる。ＣＯ_２分離システム内で発生されるＣＯ_２リッチ流１１０は、圧縮機１１２で圧縮した後に他の使用のために配給することができる。

図２は別の例示的な発電システム１４０を示しており、この場合には２つのタービンシステムが圧縮機セクション間において共通の中間冷却器で結合されている。例示的な発電システム１４０は、第１の圧縮機セクション１２及び第２の圧縮機セクション６４と流体連通した共通の中間冷却器１４６を備える。第１の低圧圧縮機１４からの圧縮酸化剤流１４２は、第２の低圧圧縮機６８からの分流１４８と混合され、共通の中間冷却器１４６内に導入される。共通の中間冷却器１４６は、圧縮酸化剤１４２及び分流１４８を冷却し、第１の高圧圧縮機１６内に導入される第１の混合流１４４を発生し、かつ第２の高圧圧縮機７０内に導入される第２の混合流１５０を発生するように構成される。第１の高圧圧縮機１６は、第１の燃焼室２２内に導入される第１の圧縮混合流３４を発生し、第２の高圧圧縮機７０は、第２の燃焼室７２内に導入される再循環流７１を発生する。ある実施形態では、中間冷却器から放出される熱はＣＯ_２分離プロセス（例えば、アミンストリッピング）を駆動するため、又は別の熱回収サイクル（例えば、有機ランキンサイクル）のために使用できる。

前節に記載した発電システムでは、燃焼過程で発生されるＣＯ_２を効果的に分離するため、ＣＯ_２分離システムの配置が有利に使用されている。図１に示すように、燃焼後に、さらに詳しくはガスタービンエキスパンダーの途中の圧力で抽出された煙道ガスからＣＯ_２が除去される。分離のための推進力が増加するとともに設備サイズ及びコストが減少するという理由で、加圧された煙道ガスからＣＯ_２を除去するのが有利である。しかし、煙道ガスの抽出圧力が高くほど、その抽出温度は高くなる。材料に関する制約のため、ＣＯ_２分離システム２８は、流体３８の温度に応じ、燃焼器出口に比べて低下した約７００〜約１０００℃の温度で設計するのが有利である。燃焼室２２直後の高温煙道ガス流３１で得られる圧力は第１の膨張排ガス３８の圧力より高いが、膨張経路の途中にＣＯ_２分離システム２８を配置することのトレードオフとして、高温煙道ガス３１の高温は約１３００℃になる。図１に示すような航空転用型ガスタービンでは、複数の圧縮段及び膨張段が高い圧縮比をもたらす。したがって、圧縮機セクションで発生される圧力は実質的に高いので、エキスパンダーセクションの途中で得られる圧力は、コスト効果の高い効率的なＣＯ_２分離システムを設計するのに十分な程度に高い。

前節に記載した発電システムではまた、図１〜２に示すように２つのタービンシステムが有利に結合されている。ガスタービン同士は、低圧圧縮機後に、好ましくは共通の中間冷却器（図２）又は独立の中間冷却器（図１）で冷却された後に作動流体を抽出することによって結合されている。既存の航空転用型ガスタービンでは、圧縮経路の途中で作動流体を抽出及び再注入するためのポートが既に存在しており、かかるポートを利用することによって、図１〜２に示すような２つのタービンシステムの結合を組み込むためタービンに要求される改変を顕著に低減させることができる。（圧縮経路の途中で得られる）中等度の圧力及び低い温度でタービンシステム同士を結合することは、中等度の流体温度に原因する効率低下及び高価な材料に関する要件を最小限に抑える。

図２に示すように、高圧圧縮機での継続圧縮前に酸化剤と分流とを混合することは、良好な混合プロセスを促進する。したがって、通例は作動流体の均一な組成及び温度を促進しかつ圧縮機性能に対するガスタービン間の流体クロスオーバーの影響を最小限に抑えるように設計される追加の混合装置の必要性は回避される。

図３はさらに別の例示的な発電システムを示しており、この場合にはＣＯ_２分離システムが第１及び第２のタービンシステムの圧縮段の途中に配設されている。図３に示すように、ＣＯ_２分離システム１６２は、第１の圧縮機セクション１２と第２の圧縮機セクション６４との間に配設されている。ＣＯ_２分離システム１６２は、第２の中間冷却器１０４から分流１７４を受け取ってＣＯ_２リーン流１６８及びＣＯ_２リッチ流１７６を発生するように構成される。第１の中間冷却器１７からの酸化剤の第１の部分１６４がＣＯ_２リーン流１６８と混合され、第１の高圧圧縮機６内に導入されて第１の圧縮混合流３４を発生する。第１の中間冷却器１７からの酸化剤の第１の部分１６６が第２の中間冷却器１０４からの第２の分流１０４と混合され、第２の高圧圧縮機７０内に導入されて第２の圧縮混合流又は再循環流７１を発生する。任意には、中間冷却器１７及び１０４を対応する高圧圧縮機１６及び７０の直前に配設することもできる。

ＣＯ_２分離システム１６２は、ＣＯ_２リッチ流１７６及びＣＯ_２リーン流１６８を発生するためのＣＯ_２分離器１７０を備える。低圧圧縮機６８の出口で得られる圧力は、コスト効果の高い効率的なＣＯ_２分離器を設計するのに十分である。ＣＯ_２分離システムに送られる分流１７４の体積は比較的小さい。したがって、圧縮機セクションの途中にＣＯ_２分離システム１６２を組み込むために必要な資本コストは、図１〜２に示したＣＯ_２分離システムに比べて少ない。さらに、新鮮な酸化剤流１６４をＣＯ_２リッチな第２の分流１０６と混合する前に、それぞれ第１の中間冷却器１７及び第２の中間冷却器１０４を用いて両方の流れを有利に冷却することができる。中間冷却器から廃棄される熱は、熱回収システム（例えば、蒸気発生）の効率を高めるため、又はＣＯ_２分離プロセスを推進するために使用できる。第２の中間冷却器１０４はまた、分流１７４をＣＯ_２分離器４４の動作温度に冷却するためにも使用できる。

図４は別の例示的な発電システム２００を示しており、この場合にはＣＯ_２分離システムが第１及び第２のタービンシステムの圧縮段の途中に配設されている。例示的な発電システム２００は、ＣＯ_２分離システム１６２と第１の圧縮機セクション１２との間に配設された共通の中間冷却器２０１を備える。ＣＯ_２分離システム１６２からのＣＯ２リーンガス２０６は第１の低圧圧縮機１４からの圧縮酸化剤流２０２と混合され、共通の中間冷却器２０１内に導入される。中間冷却器２０１を出る冷却混合流は分割され、第１の混合流２１０は第１の高圧圧縮機１６に送られ、第２の混合流２０８は第２の高圧圧縮機７０に送られる。共通の中間冷却器の使用は、発電システム２００のコストを削減する。

図１〜４に示した実施形態のすべては、さらに再熱燃焼器（図示せず）を備えていてもよい。かかる再熱燃焼器は、第２の高圧エキスパンダー７４と第２の低圧エキスパンダー７６との間に配設される。再熱燃焼器は、所定の圧縮比に関して可能な出力を高めるために役立つ。第２の高温煙道ガス７３の温度は、第２の高圧エキスパンダー７４内で膨張を受けた後には低下する。第２の膨張ガス７５の一部は再熱燃焼器に送られるので、再熱燃焼器からの排出流の温度は再熱燃焼器内での燃焼過程のために上昇する。再熱燃焼器からの高温排出流は、低圧エキスパンダー７６内に導入されてさらに膨張して電気エネルギーを発生するが、再熱燃焼器からの排出流の温度上昇のために総合出力は増加する。

前節に記載した発電サイクルには、いくつかの利点が存在する。ＣＯ_２分離システムは、有利には図１〜２に示すように低圧エキスパンダーと高圧エキスパンダーとの間に配設される。高圧エキスパンダーからの第１の膨張排気は、通例、燃焼器出口に比べて低下した温度（例えば、約７００〜約１０００℃）を有するが、それでもメンブレン分離器又はＰＳＡを使用した場合にＣＯ_２分離器での高いＣＯ_２分離効率を与えるのに十分な圧力を有する。第１の膨張排気は約２〜約３０バールの高い圧力及び燃焼器出口に比べて低下した温度を有するので、ＣＯ_２分離システムのサイズ及びそれを組み込むための資本コストも減少する。本明細書に記載した発電システムは、燃焼室から発生されるＣＯ_２全体がＣＯ_２分離システム内に導入されるので、ＣＯ_２の実質的な単離を達成するように構成される。２つのタービンシステムを含む実施形態では、第２のタービンシステムからの燃焼生成物は上述のように閉ループをなして再循環され、ＣＯ_２の最適濃度レベルに達してから第１の燃焼室内に導入される。したがって、かかる発電システムから大気中に放出される排気は実質的にＣＯ_２を含まない。

図３に示すようにＣＯ_２分離システムを圧縮経路の途中に配置することは、前述のようにＣＯ_２分離システムの資本コストを削減する。この実施形態でのＣＯ_２分離システムはまた、効率的なＣＯ_２分離のために分流を冷却し、それによって発電サイクルの総合効率を高めるために中間冷却器を有利に使用する。

上記に記載した発電システムは、圧縮経路の途中で作動流体の抽出及び再注入を行うために航空転用型タービンの既存設計を使用できる。これは、タービンシステムに関する再設計の努力及びコストを顕著に低減させる。２つのタービンシステムの結合の効率及び有効性は、低い圧力及び温度でガスタービンを結合することによって向上し、これは材料コストの削減をもたらす。

通例、ＣＯ_２の分離及び単離を統合した発電サイクルは、ＣＯ_２分離を伴わない発電サイクルに比べて総合サイクル効率の実質的な低下（約１０％ポイントの範囲内の低下）を示す。しかし、上記に記載した発電システムでは、以下の理由により、総合サイクル効率の低下は格段に小さい。即ち、膨張セクションの途中にＣＯ_２分離システムを配置し、それにより高圧エキスパンダーの出口でも実質的に高い圧力を使用してＣＯ_２の分離効率を高めることは、発電サイクル内でのＣＯ_２回収を使用することによる効率低下を減少させるために役立つ。さらに、再熱燃焼器を使用するとともにガス−ガス交換器で発生される過剰の熱をＣＯ_２分離システムで利用することは、サイクルの効率をさらに高める。したがって、上記に記載したＣＯ_２分離を伴う発電システムに付随する総合エネルギーペナルティは、ＣＯ_２回収を伴う通常の発電サイクルよりも格段に少ない。

本発明の若干の特徴のみを本明細書に例示して説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されよう。したがって、特許請求の範囲は本発明の技術思想に含まれるすべてのかかる修正及び変更を包括するように意図されていることを理解すべきである。

本発明のある実施形態に係る２つのタービンシステムを含む例示的な発電システムの略図である。本発明のある実施形態に係る２つのタービンシステムを含む別の例示的な発電システムの略図である。本発明のある実施形態に係る２つのタービンシステムを含むさらに別の発電システムの略図である。本発明のある実施形態に係る２つのタービンシステムを含む別の発電システムの略図である。

符号の説明

１０発電システム
１１第１のタービンシステム
１２第１の圧縮機セクション
１４第１の低圧圧縮機
１６第１の高圧圧縮機
１７第１の中間冷却器
１８第１のエキスパンダーセクション
２０第１の高圧エキスパンダー
２２第１の燃焼室、第１の低圧エキスパンダー
２６第１の燃料流
２８ＣＯ_２分離システム
３１第１の高温煙道ガス
３８ＣＯ_２リッチな第１の膨張排ガス
４０熱交換器
４２冷却された第１の膨張排ガス
４４二酸化炭素分離器
４６二酸化炭素リーン流
４８ＣＯ_２リーンガス
５２第１の最終排気
５４第１の熱回収蒸気発生器
５６蒸気の第１の部分
６２第２のタービンシステム
６４第２の圧縮機セクション
６６第２のエキスパンダーセクション
６８第２の低圧圧縮機
７０第２の高圧圧縮機
７１再循環流
７２第２の燃焼室
７３第２の高温煙道ガス
８２第２の燃料流
８４分流
８８第２の最終排気
９０第２の熱回収蒸気発生器
９２蒸気の第２の部分
１０４第２の中間冷却器
１４６共通の中間冷却器

Claims

第１のタービンシステム（１１）と第２のタービンシステム（６２）とを備える発電システム（１０）であって、
第１のタービンシステム（１１）が、
第１の低圧圧縮機（１４）と流体連通した第１の高圧圧縮機（１６）を含む２以上の段を有する第１の圧縮機セクション（１２）であって、圧縮酸化剤の第１の部分及び圧縮酸化剤の第２の部分を供給するように構成された第１の圧縮機セクション（１２）と、
圧縮酸化剤の第１の部分と炭素系燃料とを含む第１の燃料流を燃焼させて第１の高温煙道ガス（３１）を発生するように構成された第１の燃焼室（２２）と、
第１の高温煙道ガス（３１）の受入口を有する第１のエキスパンダーセクション（１８）であって、ＣＯ_２リッチな第１の膨張排ガス（３８）を発生するように構成された第１の高圧エキスパンダー（２０）と、第１の高圧エキスパンダー（２０）と流体連通していて第１の排気（５２）及び電気エネルギーを発生するように構成された第１の低圧エキスパンダー（２２）とを含む２以上の段を有する第１のエキスパンダーセクション（１８）と、
第１の高圧エキスパンダー（２０）からの第１の膨張排ガス（３８）を受け取るため高圧エキスパンダー（２０）と流体連通したＣＯ_２分離システム（２８）であって、第１の低圧エキスパンダー（２２）にＣＯ_２リーンガス（４８）を供給するＣＯ_２分離システム（２８）と
を備えており、
第２のタービンシステム（６２）が、
第２の高圧圧縮機（７０）と流体連通した第２の低圧圧縮機（６８）を含む２以上の段を有する第２の圧縮機セクション（６４）であって、第２の高圧圧縮機（７０）が圧縮酸化剤の第２の部分を受け取るように構成されている、第２の圧縮機セクション（６４）と、
炭素系燃料を含む第２の燃料流（８２）を燃焼させて第２の高温煙道ガス（７３）を発生するように構成された第２の燃焼室（７２）と、
第２の高温煙道ガス（７３）を受け取って第２の最終排気（８８）及び電気エネルギーを発生するように構成された第２のエキスパンダーセクション（６６）と
を備えており、
第２の圧縮機セクション（６４）が、二酸化炭素を含む第２の最終排気（８８）を受け取って、第２の高圧圧縮機（７０）から第２の燃焼室（７２）に再循環流（７１）を供給するとともに第２の低圧圧縮機（６８）から第１の高圧圧縮機（１６）に分流（８４）を供給するように構成されている、発電システム（１０）。
ＣＯ_２分離システム（２８）が、第１の膨張排ガス（３８）から熱を回収して冷却された第１の膨張排ガス（４２）を発生するように構成された熱交換器（４０）と、冷却された二酸化炭素リッチ流（４２）を受け取って二酸化炭素リーン流（４６）を発生するように構成された二酸化炭素分離器（４４）とを備える、請求項１記載のシステム。
熱交換器（４０）が、二酸化炭素分離器（４４）からの二酸化炭素リーン流（４６）との熱交換で第１の膨張排ガス（３８）から熱を回収するように構成された直交流型交換器からなる、請求項２記載のシステム。
二酸化炭素分離器（４４）がメンブレンユニットからなる、請求項２記載のシステム。
第１及び第２の燃料が天然ガスからなる、請求項１記載のシステム。
さらに、第１の最終排気（５２）から熱を回収して蒸気の第１の部分（５６）を発生するように構成された第１の熱回収蒸気発生器（５４）と、第２の最終排気（８８）から熱を回収して蒸気の第２の部分（９２）を発生するように構成された第２の熱回収蒸気発生器（９０）とを備える、請求項１記載のシステム。
さらに１以上の中間冷却器を備える、請求項１記載のシステム。
前記１以上の中間冷却器が、第１の圧縮機セクションと第２の圧縮機セクションとの間に配設されていて第１及び第２の低圧圧縮機並びに第１及び第２の高圧圧縮機と流体連通した共通の中間冷却器（１４６）を備える、請求項７記載のシステム。
前記１以上の中間冷却器が、第１の低圧圧縮機と第１の高圧圧縮機との間に配設された第１の中間冷却器及び第２の低圧圧縮機と第２の高圧圧縮機との間に配設された第２の中間冷却器を備える、請求項７記載のシステム。
第１の最終排気（５２）が実質的にＣＯ_２を含まない、請求項１記載のシステム。