JP2010229919A - ガスタービン発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】運転が容易で安定的に発電を行うことが可能であり、さらに発電電力量を増加させることが可能な副生ガスを燃料とするガスタービン発電プラントを提供する。
【解決手段】工場から副次的に発生する低圧の副生ガスを昇圧する燃料圧縮機３２、前記燃料圧縮機３２で昇圧された副生ガスを燃焼させる燃焼器３４、前記燃焼器３４に圧縮空気を送る空気圧縮機３６及び発電機４０を備えるガスタービン発電設備３０と、副生ガスに含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去設備１００と、を有し、前記ガスタービン発電設備３０は、二酸化炭素が除去された副生ガス又は二酸化炭素が低減された副生ガスを燃料とする。これにより副生ガスの発熱量が増加し運転が容易で安定的に発電を行うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工場の操業に伴い副次的に発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電プラントに関し、特に工場の操業状況により変動する副生ガスに柔軟に対応することが可能で、安定的に発電を行うことが可能なガスタービン発電プラントに関する。

図３は、製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガス等の副生ガスを燃料とする従来のガスタービン発電設備の概略的構成を示す。高炉ガス等の低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン発電設備１では、低発熱量ガスである高炉ガスを混合器２を介して高発熱量ガスと混合し、増熱された燃料ガスは、軸流式の燃料圧縮機３で昇圧して燃焼器４へ供給され、空気圧縮機５から送られる高圧の空気と混合、燃焼する。この燃焼ガスは、ガスタービン６の駆動源となり、ガスタービン６は、空気圧縮機５、燃料圧縮機３を駆動すると共に発電機７を駆動し、これにより発電を行う。燃焼器４の上流側には燃料遮断弁１３、空気圧縮機５の吸込空気ラインにはフィルタ１４を有する。高発熱量ガスとしては、転炉ガス、コークス炉ガスの他、これらガスを混合したガス、これらガスと高炉ガスとを混合した混合ガスがある。

燃料圧縮機３に使用する軸流式圧縮機は、サージングの範囲が広く、吸込む燃料ガス流量が所定の流量以下になるとサージングが発生するため、これを回避する目的で、出力が低下し燃焼器４への供給量が減少しても吸込む燃料ガス量が所定の流量以下とならないように、燃料ガス戻りライン８を通じて吐出ガス（燃料ガス）の一部を循環運転している。燃料ガス戻りライン８の途中には、戻りガス（循環ガス）量を調整するための第１ガス戻量制御弁９が備えられている。また、燃料ガス戻りライン８は、大量の戻りガスを処理するためのバイパスライン１０を有し、バイパスライン１０には、第２ガス戻量制御弁１１が設けられている。燃料圧縮機３で燃料ガスを圧縮すると、燃料ガスの温度が上昇するため、循環ガスは、燃料ガス戻りライン８に設けられたガス冷却器１２で冷却され、燃料圧縮機３に返送される。

上記ガスタービン発電設備１では、通常出力運転で燃料圧縮機３が吸込む燃料ガスの流量が所定の流量以上であっても燃料圧縮機３により高温、高圧となった燃料ガスの一部は、制御性を確保するためガス冷却器１２で冷却し燃料圧縮機３に返送するため、エネルギが無駄に消費されているという問題がある。この問題に対して本発明者らは、膨張タービンなどを用いてエネルギを回収する発明を行い、既に特許出願を行っている（特許文献１参照）。

特開２００７−２３９７６号公報

上記ガスタービン発電設備１に関しては、上記の問題の他、次のような課題がある。ガスタービン発電設備１では、大量の高炉ガス等を燃料圧縮機３で昇圧する必要があるため、ガスタービンで発生する多くの動力（電力）を消費し、発電電力量が低下する。また、高炉ガス等は、二酸化炭素、窒素を多量に含んでいるので燃焼範囲が狭く高度な燃焼管理技術が必要である。またガスタービン発電設備１は、製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガス等の副生ガスを燃料とするので、製鉄所の操業状況により発生する副生ガスの種類ごとにガス量、ガス組成、ガスの発熱量が大きく変動する。特に燃料ガス発熱量を所定の発熱量に増熱するための高発熱量ガスが不足すると、多量の高炉ガスがあっても十分な発電を行うことができない。

現在のところ、これら課題を解決する技術は開発されておらず、開発が待たれているところである。これら課題と上記のエネルギの無駄な消費も併せて解決できればより好ましいことは言うまでもない。さらに今日では、環境に配慮した設備、プラントであることが求められており、これに合致した設備、プラントであることが好ましい。

本発明の目的は、運転が容易で安定的に発電を行うことが可能であり、さらに発電電力量を増加させることが可能な副生ガスを燃料とするガスタービン発電プラントを提供することである。

請求項１に記載の本発明は、工場から副次的に発生する低圧の副生ガスを昇圧する燃料圧縮機、前記燃料圧縮機で昇圧された副生ガスを燃焼させる燃焼器、前記燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機及び発電機を備えるガスタービン発電設備と、副生ガスに含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去設備と、を有し、前記ガスタービン発電設備は、二酸化炭素が除去された副生ガス又は二酸化炭素が低減された副生ガスを燃料とすることを特徴とするガスタービン発電プラントである。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のガスタービン発電プラントにおいて、前記二酸化炭素除去設備が、化学吸収法、物理吸収法、物理吸着法、膜分離法、深冷分離法のいずれか１の方法を利用した二酸化炭素除去設備であることを特徴とする。

請求項３に記載の本発明は、請求項１又２に記載のガスタービン発電プラントにおいて、前記ガスタービン発電設備は、さらに発熱量を調節する混合器を有し、前記混合器で調節された副生ガスを燃料とし、前記副生ガスは、高炉ガス及び高炉ガスに比較し発熱量が高く高炉ガスに混合し発熱量を所定の発熱量に増加させる高発熱量ガスを含み、前記二酸化炭素除去設備は、前記混合器に送られる前の高炉ガス中の二酸化炭素を除去することを特徴とする。

請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン発電プラントにおいて、前記ガスタービン発電設備は、さらに燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、前記燃料圧縮機は、前記燃料ガス戻りラインを介して燃料ガスの一部を循環させながら燃料ガスの圧縮を行い、前記二酸化炭素除去設備は、前記燃料ガス戻りラインを流通する、燃料圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスの有するエネルギを二酸化炭素の除去に利用することを特徴とする。

請求項１に記載の本発明によれば、本発明に係るガスタービン発電プラントは、副生ガスに含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去設備を有し、ガスタービン発電設備は、二酸化炭素が除去された副生ガス又は二酸化炭素が低減された副生ガスを燃料とするので、燃料の発熱量が増加し、運転管理が容易となり、安定運転を実現できる。燃料の発熱量が増加することで、増熱用の高発熱量ガスが不足する場合であっても発電を継続することができる。さらに副生ガスに含まれる発熱量に寄与しない二酸化炭素を除去又は低減することで処理ガス量が減少する。これにより燃料圧縮機の圧縮動力軽減及び発電量を増加させることができる。さらに処理ガス量が減少することで、燃料圧縮機のみならず接続する配管、弁類などの機器をコンパクト化することも可能となる。

請求項２に記載の本発明によれば、副生ガスに含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去設備は特定の二酸化炭素除去設備に限定されないので、副生ガス中の二酸化炭素の濃度、処理ガス量等に適した二酸化炭素除去設備を選択可能であり効率的である。

請求項３に記載の本発明によれば、二酸化炭素除去設備で二酸化炭素が除去又は低減された後の高炉ガスを、発熱量を調節する混合器に送ることができるので、二酸化炭素除去設備のトラブルにより除去される二酸化炭素の量が変動する結果、高炉ガスの発熱量が変動しても、混合器で高発熱量ガスを用いて発熱量を調節することができる。これにより二酸化炭素除去設備の稼動状況に拘わらず、ガスタービン発電設備を安定的に継続して運転することができる。

請求項４に記載の本発明によれば、二酸化炭素除去設備は、燃料ガス戻りラインを流通する、燃料圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスの有するエネルギを二酸化炭素の除去に利用することができるので、エネルギの有効利用が図られる。さらに燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスの有するエネルギを二酸化炭素の除去に利用することで、燃料ガスの温度が低下し、この結果、燃料ガスを冷却する冷却設備をコンパクト化することができる。

本発明の第１実施形態としてのガスタービン発電プラント２０の概略的構成を示すプロセスフロー図である。 本発明の第２実施形態としてのガスタービン発電プラント２５の概略的構成を示すプロセスフロー図である。 高炉ガス等の副生ガスを燃料とする従来のガスタービン発電設備１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。

図１は、本発明の第１実施形態としてのガスタービン発電プラント２０の概略的構成を示すプロセスフロー図である。ガスタービン発電プラント２０は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とし発電を行うガスタービン発電設備３０と、副生ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去設備１００とを含み構成される。ここでは、副生ガスに製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガス、転炉ガスなどを混合した高発熱量ガスの一つであるミックスガスを使用する例を示す。

ガスタービン発電設備３０は、低圧の燃料ガスを所定の圧力まで昇圧する燃料圧縮機３２と、燃焼器３４に高圧の空気を送出する空気圧縮機３６、燃料圧縮機３２から送られる燃料ガスと空気圧縮機３６から送られる空気とを混合、燃焼させ、高温、高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器３４、燃焼器３４から送出される燃焼ガスで回転駆動されるガスタービン３８、ガスタービン３８で駆動される発電機４０を備える。燃焼器３４の上流側には燃料遮断弁３５を有する。ガスタービン３８は、発電機４０を回転駆動し発電を行うと共に、燃料圧縮機３２及び空気圧縮機３６を駆動する。

ガスタービン発電設備３０の燃料である高炉ガス及びミックスガスは、圧力が約０．１１ＭＰａ（ａｂｓ）と低いため燃料圧縮機３２で所定の圧力まで昇圧された後、燃焼器３４に送られる。燃料圧縮機３２は、軸流式圧縮機であり、サージングの範囲が広く、吸込む燃料ガス流量が所定の流量以下になるとサージングが発生するため、これを回避する目的で、出力が低下し燃焼器３４への燃料ガスの供給量が減少しても、吸込む燃料ガス量が所定の流量以下とならないように、吐出ガス（燃料ガス）の一部を燃料圧縮機３２の入口部に返送するための燃料ガス戻りライン４２を備える。

燃料ガス戻りライン４２は、ラインの途中に戻りガス（循環ガス）量を調節するための第１ガス戻量制御弁４４を有し、第１ガス戻量制御弁４４の下流側に入口弁５４、第１リボイラ供給ガス量制御弁５６、出口弁５８が上流側から下流側に向かって配置され、さらにその下流に戻りガス冷却器５２が設けられている。入口弁５４の下流側に設けられた管路は、二酸化炭素除去設備１００に設けられたリボイラ１６０のガス入口部１６２と接続し、第１リボイラ供給ガス量制御弁５６の上流側の管路は、リボイラ１６０のガス出口部１６４と接続する。燃料ガス戻りライン４２の入口部の戻りガスは、温度が約４１０℃、圧力が約１．４ＭＰａの高温、高圧のガスであり、この高温、高圧の戻りガスをリボイラ１６０に導くことで、リボイラ１６０を加熱する。リボイラ１６０で戻りガスの有する熱エネルギをより多く回収するためには、リボイラ１６０のガス入口部１６２における戻りガスのエンタルピが高いことが望ましい。よって、第１ガス戻量制御弁４４及び入口弁５４は、戻りガスのエンタルピができるだけ低下しないように、弁の型式などを選定することが好ましい。

燃料ガス戻りライン４２を流通する高温、高圧の戻りガスは、リボイラ１６０で吸収液を加熱し、温度を低下させた後、戻りガス冷却器５２に送られる。戻りガス冷却器５２は、ガス密度を大きくし、燃料圧縮機３２の圧縮効率を高める目的で設置され、戻りガスは所定の温度まで冷却された後、燃料圧縮機３２の入口部、より正確には湿式電気集塵機９０の上流側の燃料ライン７８に返送される。

戻りガス冷却器５２は、直冷式の冷却器であり、戻りガスに直接、冷却水を吹きかけ戻りガスを冷却する。戻りガス冷却器５２への冷却水供給は、ガス冷却器冷却水ポンプ６４及びガス冷却水冷却器６６を循環ライン途中に備える冷却水循環ライン６８を通じて行われる。ガス冷却水冷却器６６は海水を冷却媒体とし、海水供給ライン７０に設けられた海水ポンプ７２より冷却媒体である海水が供給される。海水供給ライン７０は、数台の取水ポンプ７４で海水を取水し復水器（図示省略）に海水を送水する海水供給ライン７６の途中より分岐させている。ガス冷却水冷却器６６に供給された海水は、冷却水循環ライン６８を循環する冷却水を冷却し、温度が高くなった海水は、海に戻される。よって、戻りガス冷却器５２の負荷を下げることで、ガス冷却器冷却水ポンプ６４及び海水ポンプ７２のランニグコストを低減させることができる。

先に述べたように、本実施形態に示すガスタービン発電プラント２０では、戻りガス冷却器５２の上流側で、戻りガスがリボイラ１６０に熱を与え、戻りガス自身は冷却されるので、戻りガス冷却器５２の負荷が低減され、ガス冷却器冷却水ポンプ６４及び海水ポンプ７２のランニグコストを低減させることができる。

また燃料ガス戻りライン４２には、大量の戻りガスを処理するための第２ガス戻量制御弁４６を備える第１バイパスライン４８が連結する。この第１バイパスライン４８は、第１ガス戻量制御弁４４、入口弁５４、第１リボイラ供給ガス量制御弁５６及び出口弁５８をバイパスし、一端を燃料ガス戻りライン４２の入口部に、他端を戻りガス冷却器５２の上流部に接続する。さらに第１ガス戻量制御弁４４の出口部には、ラインの途中にリボイラ１６０に供給する戻りガス量を調整するための第１リボイラ供給ガス量制御弁５６と反比例した動作をし、第１ガス戻量制御弁４４からの戻りガスを全て戻りガス冷却器５２に流すための第２リボイラ供給ガス量制御弁５７を有する第２バイパスライン４９が接続し、この第２バイパスライン４９は、入口弁５４、第１リボイラ供給ガス量制御弁５６及び出口弁５８をバイパスし、戻りガス冷却器５２の上流部に接続する。

第２ガス戻量制御弁４６は、第１ガス戻量制御弁４４に比較して、多量の戻りガスを流通させることが可能なため、第１バイパスライン４８は、ユニットトリップなど流量変動の大きい場合に使用される。第２バイパスライン４９は、二酸化炭素除去設備１００へ供給される戻りガス量調整や二酸化炭素除去設備１００が停止するなどのトラブルが発生したような場合に燃料ガスを循環させるためのものである。上記のように、本発明の燃料ガス戻りライン４２は、第１バイパスライン４８及び第２バイパスライン４９を備えるので、二酸化炭素除去設備１００又は第１ガス戻量制御弁４４に不調が生じた場合であっても、第１バイパスライン４８又は第２バイパスライン４９を通じて、燃料ガスを確実に循環させることができる。燃料ガスの循環が停止すると、ガスタービン発電プラント２０全体を停止させる必要が生じるが、このような構成を採用することで、ガスタービン発電プラント２０を安定的に運転させることができる。

燃料圧縮機３２への燃料ガスの供給は、燃料ライン７８を通じて行われる。燃料ライン７８は、一端を燃料圧縮機３２の入口部に他端を混合器８０の出口部に接続する。燃料ライン７８には、燃料ガス温度を検出する温度検出器１５５が装着され、燃料ライン７８の途中には、燃料ガスに含まれる煤塵を除去する湿式電気集塵機９０が設けられている。混合器８０は、燃料ガスの発熱量を所定の発熱量に調節ための装置であり、二酸化炭素除去設備１００で二酸化炭素が除去又は低減された高炉ガスを供給する高炉ガスライン１３６及びミックスガスを供給するミックガスライン９５が接続する。混合器８０は、高炉ガスライン１３６から送られる高炉ガスに、増熱用ガスであるミックスガスを混合し、所定の発熱量に調節する。高炉ガスが所定の発熱量を有していれば、ミックスガスが混合されないことは言うまでもない。

二酸化炭素除去設備１００は、高炉ガスに含まれる二酸化炭素を化学吸収法により分離、除去するための設備である。化学吸収法は、低温で二酸化炭素を吸収し、高温で二酸化炭素を放出するという特性を有する吸収液を使用して、気体中の二酸化炭素を分離、除去する方法である。化学吸収法で使用する吸収液は、４０℃〜６０℃程度の温度で気体中の二酸化炭素を化学反応により吸収する。二酸化炭素を吸収した吸収液は、使用する吸収液の種類によっても異なるが、おおよそ１１０℃程度以上に加熱すると、二酸化炭素を気体として放出し、再び二酸化炭素吸収能力を回復する。このような吸収液としては、例えばアミン類を含有する吸収液が例示される。加圧による二酸化炭素吸収の促進、減圧による吸収液からの二酸化炭素放出の促進も考えられるが、ここでは大気圧力程度で運転する二酸化炭素分離設備を示した。

二酸化炭素除去設備１００は、高炉ガスと吸収液とを接触させ、高炉ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる低温の吸収塔１０１と、二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱し、吸収液中の二酸化炭素を再び気体として放出させ、吸収液を再生する高温の再生塔１０２とを備える。さらに吸収塔１０１から再生塔１０２へ吸収液を送出する送液ライン１２３、再生塔１０２から吸収塔１０１へ二酸化炭素を放出した吸収液を返送する返送ライン１３１、二酸化炭素を吸収した吸収液と再生塔１０２で再生した吸収液とを熱交換させる熱交換器１２６、及び再生塔１０２の吸収液を加熱するリボイラ１６０を有する。

吸収塔１０１には、吸収塔１０１の下部に製鉄所から送出される高炉ガスを供給する高炉ガスライン１２０が接続し、吸収塔１０１の上部には二酸化炭素が除去又は低減された高炉ガスを混合器８０に送る高炉ガスライン１３６が接続する。また吸収塔１０１内の上部にはスプレーノズル１３４が設けられており、スプレーノズル１３４は、移送ポンプ１３２、熱交換器１２６が介装された返送ライン１３１と接続する。さらに、吸収塔１０１の下部には、二酸化炭素を吸収した吸収液を再生塔１０２に送る、管路の途中に移送ポンプ１２４が設けられた送液ライン１２３が接続する。

再生塔１０２には、再生塔１０２の上部に再生塔１０２内で吸収液から放出された二酸化炭素を排出するための出口ライン１３３が接続する。又、再生塔１０２内の上部には、スプレーノズル１２８が設けられ、スプレーノズル１２８は、移送ポンプ１２４、熱交換器１２６が介装された送液ライン１２３と接続する。また、移送ポンプ１３２と熱交換器１２６との間の返送ライン１３１には分岐した循環ライン１３０が設けられ、循環ライン１３０はリボイラ１６０を経由して再生塔１０２下部に接続している。

リボイラ１６０は水管式の伝熱管１６１を内部に有する熱交換器であり、百数十℃の吸収液は伝熱管１６１内を、燃料ガス戻りライン４２を通じて送られる約４１０℃、約１．４ＭＰａの高温、高圧の戻りガスが伝熱管１６１外側の煙道部１６３を流通することで吸収液を加熱する。

高炉ガス中の二酸化炭素は次の要領で除去される。高炉ガスは、高炉ガスライン１２０を通じて吸収塔１０１下部に入り塔内を上昇する。高炉ガスは、塔内を上昇する間にスプレーノズル１３４から噴射され細かい水滴群となった吸収液と接触する。その際、高炉ガス中の二酸化炭素は噴射された４０〜６０℃の吸収液に選択的に吸収され、高炉ガス中から取り除かれる。二酸化炭素が除去又は低減された高炉ガスは、吸収塔１０１の上部に接続する高炉ガスライン１３６を通じて混合器８０に送られる。湿式電気集塵機９０には飛散した集塵極洗浄水を分離する気水分離装置が設置されているため、二酸化炭素除去設備１００から吸収液が飛散した場合にもガスタービン３８に悪影響を与えない。

吸収塔１０１で二酸化炭素を吸収した４０℃〜６０℃の吸収液は、移送ポンプ１２４が介装された移送ライン１２３を通じて熱交換器１２６に送られる。この吸収液は、熱交換器１２６で、返送ライン１３１を通じて再生塔１０２から返送される約１１０℃以上の高温の吸収液と熱交換し、昇温し再生塔１０２の上部に設けたスプレーノズル１２８に送られる。吸収塔１０１で二酸化炭素を吸収した吸収液は、スプレーノズル１２８を通じて再生塔１０２内に細かい水滴群となって散布される。再生塔１０２内に散布された二酸化炭素を吸収した吸収液は、二酸化炭素を放出し、放出された二酸化炭素は、再生塔１０２の上部に設けられた出口ライン１３３を通じて二酸化炭素貯留設備（図示省略）に送られ有効利用される。一方、二酸化炭素を放出し再生した吸収液は、返送ライン１３１を介して、吸収塔１０１に返送される。

再生塔１０２下部に溜まった吸収液の一部は、移送ポンプ１３２の出口と再生塔１０２とを結ぶ循環ライン１３０に介装されたリボイラ１６０に送られる。リボイラ１６０では、燃料ガス戻りライン４２を通じて送られた約４１０℃の戻りガスと百数十℃の吸収液が、伝熱管１６１を介して熱交換し、吸収液は加熱され、一方、戻りガスは冷却される。リボイラ１６０で加熱された吸収液は、循環ライン１３０を通じて再生塔１０２に戻され循環することにより再生塔１０２内の吸収液を高温に維持し二酸化炭素の放出を促進する。

高炉ガスライン１２０には二酸化炭素除去設備１００をバイパスするバイパスダンパー１５０をラインの途中に有するバイパスライン１２１が設けられている。このバイパスライン１２１は、二酸化炭素除去設備１００の処理能力を上回る高炉ガスが送られてきた場合、二酸化炭素除去設備１００内で高炉ガス温度がガスタービン３８に悪影響を与える温度に上昇した場合、又は二酸化炭素除去設備１００にトラブルが発生したような場合に一部又は全量の高炉ガスが二酸化炭素除去設備１００をバイパスするように使用される。正常な運転状態では、バイパスダンパー１５０は閉じられている。

上記構成からなるガスタービン発電プラント２０は、発熱量が低い高炉ガスから、発熱量に寄与しない二酸化炭素を分離除去することができるので、二酸化炭素を含まない副生ガス、又は二酸化炭素の含有量が低減した副生ガスを燃料ガスとすることができる。例えば、発熱量を１０００ｋｃａｌ／ｍ^３Ｎに調節した副生ガスを燃料ガスとする場合にあっては、一般的な高炉ガスは約２０容量％の二酸化炭素を含み、発熱量が約８００ｋｃａｌ／ｍ^３Ｎなので、高炉ガスに含まれる二酸化炭素を全て除去すれば、発熱量が１０００ｋｃａｌ／ｍ^３Ｎとなり増熱用ガスであるミックスガスを混合する必要がなく、二酸化炭素を含まない高炉ガスを燃料ガスとすることができる。高炉ガスから一部、二酸化炭素を除去する場合にあっても、発熱量が増加することは言うまでもない。

高炉ガスから二酸化炭素を除去すると、ガスタービン３８が必要とする燃料ガス量が減少するので、燃料圧縮機３２の圧縮動力軽減を実現できる。すなわちガスタービン３８は発電機４０を回転駆動し発電を行うと共に、燃料圧縮機３２を駆動している圧縮動力の軽減が図れる。また高炉ガスの減容により、燃料圧縮機３２のみならず接続する配管及び弁類などの機器のコンパクト化も可能になる。また二酸化炭素を分離除去することにより、燃焼温度が高くなるため、これまで使用できなかった高出力タイプのガスタービンを使用できる。

なお、上記二酸化炭素除去設備１００の構成、操作方法は、化学吸収法による二酸化炭素除去設備の一例を示したものであり、化学吸収法による二酸化炭素除去設備がこれに限定されないことは言うまでもない。また、第１実施形態に示すガスタービン発電プラント２０では、燃料ガス戻りガスライン４２を流通する戻りガスを直接、リボイラ１６０に導く例を示したけれども、入口弁５４の下流側に熱交換器を設け、燃料ガス戻りガスライン４２を流通する戻りガスで熱媒体を加熱し、この熱媒体をポンプを介してリボイラ１６０に送るようにしてもよい。

図２は、本発明の第２実施形態としてのガスタービン発電プラント２５の概略的構成を示すプロセスフロー図である。図１に示す第１実施形態のガスタービン発電プラント２０と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。第２実施形態に示すガスタービン発電プラント２５も第１実施形態に示すガスタービン発電プラント２０と同様、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とし発電を行うガスタービン発電設備３１と、副生ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去設備２００とを含み構成される。

ガスタービン発電設備３１は、図１に例示したガスタービン発電設備３０とほぼ同じ構成からなるが、燃料ガス戻りライン４２に膨張タービン２２０が設けられ、戻りガス流量調整弁である第１リボイラ供給ガス量制御弁５６を備えておらず、さらに戻りガス冷却器５２の上流側の燃料ガス戻りライン４２に、戻りガスを冷却するための熱交換器５１が設けられている点が、ガスタービン発電設備３０と異なる。膨張タービン２２０は、燃料圧縮機３２で圧縮され高温、高圧となった戻りガスの持つエネルギを回収し、二酸化炭素除去設備２００の動力の一部として利用するためのものであり、膨張タービン２２０の同軸上には高炉ガス圧縮機２０１が連結している。

二酸化炭素除去設備２００は、深冷分離法を用いて高炉ガス中の二酸化炭素を除去する設備であり、高炉ガスを圧縮する高炉ガス圧縮機２０１、深冷分離機２１０、高炉ガス圧縮機２０１と深冷分離機２１０とを接続する送出ライン２０２、深冷分離機２１０で分離、液化した二酸化炭素を送り出すための払出しライン２０４、払出しポンプ２０５を備える。

深冷分離法は、高炉ガス中の主な可燃成分である一酸化炭素及び水素よりも二酸化炭素が液化しやすいことを利用し、高炉ガスを冷却することにより二酸化炭素を液化、分離する方法である。すなわち、水素の液化温度が−２５３℃、一酸化炭素の液化温度が−１９２℃であるのに対し、二酸化炭素の液化温度は−７８．５℃である。従って、相対的な表現をすれば、二酸化炭素は、水素、一酸化炭素よりも１００℃以上も高温で液化するのである。この液化温度の差を利用する深冷分離法を採用することにより、高炉ガス中の二酸化炭素は液状で分離、除去され、水素、一酸化炭素などの可燃ガスは気体として取り出される。

高炉ガスライン１２０には二酸化炭素除去設備２００に高炉ガスを供給する送出ライン２０２及び二酸化炭素除去設備２００で二酸化炭素を除去した高炉ガスを高炉ガスライン１２０に返送する返送ライン２０６が接続する。高炉ガスライン１２０と送出ライン２０２の分岐部２０３と、高炉ガスライン１３６と返送ライン２０６との合流部２０７との間の高炉ガスライン１２０には流量制御ダンパー２３０が設けられている。

送出ライン２０２は、高炉ガスライン１２０に接続すると共に、他端を高炉ガス圧縮機２０１と接続する。送出ライン２０２には上流側に遮断弁２２１、その下流側に流量制御ダンパー２２２が設けられ、高炉ガスは、送出ライン２０２を通じて高炉ガス圧縮機２０１に送られ、ここで圧縮される。圧縮された高炉ガスはさらに深冷分離機２１０に送られ、ここで二酸化炭素が分離、除去される。二酸化炭素が除去又は低減された高炉ガスは、遮断弁２２９が介装された返送ライン２０６を通じて高炉ガスライン１３６に返送される。このとき、二酸化炭素が除去又は低減された高炉ガスは、返送ライン２０６の途中に設けられた熱交換器２０８を通じて温度を上昇させ、高炉ガスライン１３６に返送される。

熱交換器２０８は、図示を省略した管路を通じて熱交換器５１と接続する。熱交換器２０８と熱交換器５１とを接続する管路内には熱媒体が充填され、この熱媒体はポンプ（図示省略）を介して管路内を循環する。熱媒体は、熱交換器２０８を介して返送ライン２０６を流通する二酸化炭素が除去又は低減された低温の高炉ガスで冷却され、熱交換器５１を介して燃料ガス戻りライン４２を流通する高温の戻りガスを冷却する。これにより戻りガス冷却器５２の負荷を下げることができる。温度を上昇させた熱媒体は、熱交換器２０８を介して二酸化炭素が除去又は低減された低温の高炉ガスを加熱する。ここでは、二つの熱交換器５１、２０８を用いて、この間を循環させる熱媒体を通じて、二酸化炭素が除去又は低減された低温の高炉ガスと燃料ガス戻りライン４２を流通する高温の戻りガスとを熱交換させる例を示したけれども、熱交換器を一つとし、高温側に燃料ガス戻りライン４２を流通する高温の戻りガスを、低温側に二酸化炭素が除去又は低減された低温の高炉ガスを流通させ、熱交換させてもよい。

通常の運転状態では、流量制御ダンパー２３０は閉じられており、返送ライン２０６を通じて戻された高炉ガスが高炉ガスライン１２０内を逆流することはなく、高炉ガスライン１３６を通じて混合器８０に送られる。一方、分離された二酸化炭素は、払出しライン２０４に介装された払出しポンプ２０５を介して二酸化炭素貯留設備（図示省略）に送られ有効利用される。

返送ライン２０６には遮断弁２２９が、送出ライン２０２には流量制御ダンパー２２２、遮断弁２２１が設けられているので、高炉ガス量が二酸化炭素除去設備２００の処理能力を超える場合には、流量制御ダンパー２３０及び流量制御ダンパー２２２の開度を調節することで、二酸化炭素除去設備２００への高炉ガス供給量を下げることができ、また、二酸化炭素除去設備２００にトラブルが発生したときには、遮断弁２２１、遮断弁２２９を閉じて流量制御ダンパー２３０を開放することにより二酸化炭素除去設備２００をバイパスさせることができるので、二酸化炭素除去設備２００にトラブルが生じたときでも、ガスタービン発電プラント２５の運転を安定して継続させることができる。

深冷分離法では、ガスの冷却は、圧縮、冷却、断熱膨張という操作を繰り返すことにより行われるので、一般的に深冷分離法では圧縮機の動力が高いことが課題の一つとなっている。本実施形態では、燃料ガス戻りライン４２からの高温、高圧状態の戻りガスの持つエネルギを利用し駆動する膨張タービン２２０の軸動力を利用し、高炉ガス圧縮機２０１を駆動し深冷分離機２１０に送る高炉ガスを圧縮しているので、深冷分離機２１０側での圧縮動力を軽減でき二酸化炭素除去を効率的に行うことができる。また、二酸化炭素が除去又は低減された低温の高炉ガスと燃料ガス戻りライン４２を流通する高温の戻りガスとを熱交換させるので、戻りガス冷却器５２の負荷が低下しガス冷却器冷却水ポンプ６４及び海水ポンプ７２のランニグコストを低減させることができる。

以上のような構成からなるガスタービン発電プラント２５は、第１実施形態に示すガスタービン発電プラント２０と同様の効果を奏する。なお、上記二酸化炭素除去設備２００の構成、操作方法は、深冷分離法による二酸化炭素除去設備の一例を示したものであり、深冷分離法による二酸化炭素除去設備がこれに限定されないことは言うまでもない。

第１実施形態及び第２実施形態に示すガスタービン発電プラント２０、２５では、二酸化炭素分離設備１００、２００を混合器８０の上流側に設置している。これにより二酸化炭素分離設備１００、２００にトラブルが発生し、高炉ガス中の二酸化炭素濃度が変動し、混合器８０に送られる高炉ガスの発熱量が変化するような場合であっても、所定の発熱量となるように混合器８０にミックスガスを送ることができるので、ガスタービン発電設備３０、３１を安定して運転することができる。

第１実施形態に示すガスタービン発電プラント２０では、ガスタービン発電設備３０の燃料ガス戻りライン４２を流通する高温、高圧の戻りガスが保有するエネルギを熱エネルギとして取出し利用し、第２実施形態に示すガスタービン発電プラント２５では、ガスタービン発電設備３１の燃料ガス戻りライン４２を流通する高温、高圧の戻りガスが保有するエネルギを、膨張タービン２２０を駆動させるための動力源として取出し利用している。これによりエネルギの有効利用を図ることができることは既に記載したところであるが、燃料ガス戻りライン４２を流通する高温、高圧の戻りガスを二酸化炭素除去装置のプロセスガスとして利用してもよい。

燃料ガス戻りライン４２を流通する高温、高圧の戻りガスを二酸化炭素除去装置のプロセスガスとして利用するとは、燃料ガス戻りライン４２を流通する高温、高圧の戻りガスを直接、二酸化炭素除去装置に導き、二酸化炭素除去装置で戻りガス中に含まれる二酸化炭素を除去することを言う。戻りガスは、高温、高圧の状態で流通しているため、圧力及び／又は温度を二酸化炭素除去の推進力として利用することで効率的に二酸化炭素を除去することができる。このような場合にあっては、二酸化炭素を除去又は低減した戻りガスを混合器８０の上流側に戻すことが、燃料発熱量制御性の点から好ましい。

本発明に係るガスタービン発電プラントにおいて、二酸化炭素除去装置は、化学吸収法、深冷分離法を用いた二酸化炭素除去装置に限定されるものではなく、他の分離メカニズムを用いた二酸化炭素除去装置であってもよい。例えば、吸収液に二酸化炭素を物理吸収させた後、加熱し二酸化炭素を離脱させ回収する物理吸収法、ゼオライト等に吸着させた後、離脱させ回収する吸着分離法、膜分離法などを利用した二酸化炭素除去装置が例示される。

また上記第１実施及び第２実施形態では、製鉄所から送出される副生ガスを例として、説明したけれども、副生ガスは製鉄所から送出される副生ガスに限定されず、化学工場などから送出される副生ガスなどを使用可能なことは言うまでもない。

２０ ガスタービン発電プラント
２５ ガスタービン発電プラント
３０ ガスタービン発電設備
３１ ガスタービン発電設備
３２ 燃料圧縮機
３４ 燃焼器
３６ 空気圧縮機
３８ ガスタービン
４０ 発電機
４２ 燃料ガス戻りライン
８０ 混合器
１００ 二酸化炭素除去設備
１６０ リボイラ
２００ 二酸化炭素除去設備
２２０ 膨張タービン

Claims (4)

1. 工場から副次的に発生する低圧の副生ガスを昇圧する燃料圧縮機、前記燃料圧縮機で昇圧された副生ガスを燃焼させる燃焼器、前記燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機及び発電機を備えるガスタービン発電設備と、
   副生ガスに含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去設備と、を有し、
   前記ガスタービン発電設備は、二酸化炭素が除去された副生ガス又は二酸化炭素が低減された副生ガスを燃料とすることを特徴とするガスタービン発電プラント。
2. 前記二酸化炭素除去設備が、化学吸収法、物理吸収法、物理吸着法、膜分離法、深冷分離法のいずれか１の方法を利用した二酸化炭素除去設備であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電プラント。
3. 前記ガスタービン発電設備は、さらに発熱量を調節する混合器を有し、前記混合器で調節された副生ガスを燃料とし、
   前記副生ガスは、高炉ガス及び高炉ガスに比較し発熱量が高く高炉ガスに混合し発熱量を所定の発熱量に増加させる高発熱量ガスを含み、
   前記二酸化炭素除去設備は、前記混合器に送られる前の高炉ガス中の二酸化炭素を除去することを特徴とする請求項１又２に記載のガスタービン発電プラント。
4. 前記ガスタービン発電設備は、さらに燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、
   前記燃料圧縮機は、前記燃料ガス戻りラインを介して燃料ガスの一部を循環させながら燃料ガスの圧縮を行い、
   前記二酸化炭素除去設備は、前記燃料ガス戻りラインを流通する、燃料圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスの有するエネルギを二酸化炭素の除去に利用することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン発電プラント。

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