JP2013533426A - 炭素捕捉を有するジェットエンジン - Google Patents

Abstract

電力を生成し、ＣＯ_２を捕捉するための方法であって、電力および排気ガスを生成するためにガス燃料および酸素を含む気体をガスタービンに導入し、ガスタービンから排出された排気ガスをボイラー（２０）内の蒸気の生成によって冷却し、冷却された排気ガスを、吸着／脱着プロセスによって、ボイラー（２０）を出ていく冷却された排気ガスからＣＯ_２を捕捉するためのＣＯ_２捕捉プラントに導入して、その後、処理されたＣＯ_２が少ない排気ガスは周囲環境に放出され、捕捉されたＣＯ_２はプラントから輸送され、ガスタービンを出ていく排気ガスは３〜１５ｂａｒａの圧力を有し、排気ガスはＣＯ_２捕捉プラントを出ていった後、大気圧まで膨張される、方法。この方法を実施するためのプラントも記載される。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素質燃料の燃焼からの排気ガスなどのＣＯ_２を含有する気体からのＣＯ_２捕捉の分野に関する。より具体的には、本発明は、以前に提案された解決策と比較してより高い電気効率を有するＣＯ_２捕捉を含むガス火力複合サイクル発電プラントに対する改良に関する。

炭素質燃料および最も具体的には化石燃料の燃焼によるＣＯ_２の放出は、大気中のＣＯ_２の温室効果に起因して非常に懸念されている。大気中へのＣＯ_２排出の減少を行う１つのアプローチは、炭素質燃料の燃焼による排気ガスのＣＯ_２捕捉であり、捕捉したＣＯ_２の安全な蓄積である。ＣＯ_２捕捉に関してここ１０年間余りから複数の解決策が示唆されている。

ＣＯ_２捕捉について提案されている技術は３つの主な群に分類され得る：
１．ＣＯ_２吸収−排気ガスは、排気ガスから可逆的に吸収され、ＣＯ_２が少ない排気ガスを残し、吸収物（吸収剤）が再生されて、さらに処理され、蓄積されるＣＯ_２を生じる。
２．燃料転換−炭化水素燃料が水素およびＣＯ_２に変換される（再生される）。ＣＯ_２は水素から分離され、安全に蓄積されるが、水素は燃料として使用される。
３．オキシ燃料−炭素質燃料は空気から分離される酸素の存在下で燃焼される。空気を酸素と置き換えることにより、冷却およびフラッシングにより分離され得るＣＯ_２および蒸気を含む排気ガスを主に残す。

特許文献１（（ＳＡＲＧＡＳ ＡＳ）２００３年１２月３１日）は、炭素質燃料が高圧下で燃焼されるプラントを記載しており、燃焼ガスは燃焼室内の蒸気管内の蒸気の生成により燃焼室内で冷却され、ＣＯ_２は吸収／脱着により燃焼ガスから分離されて、希薄燃焼ガスおよび蓄積するためのＣＯ_２を得、その後、希薄燃焼ガスはガスタービン上で膨張される。

特許文献２（（ＳＡＲＧＡＳ ＡＳ）２００６年１０月１２日）は、燃料噴射および排気ガス前処理の改良を含む、石炭燃料加圧流動層燃焼プラントを記載している。

高圧下での炭素質燃料の燃焼および燃焼室からの加圧燃焼ガスの冷却は、大気圧での同様の量の燃焼排ガスと比べて燃焼排ガスの体積を減少させる。さらに、燃焼プロセスの高圧および冷却は実質的に化学量論の燃焼を可能にする。５容量％未満、例えば４容量％未満、または３容量％未満の酸素の残留物含有量を生じる実質的に化学量論の燃焼は、特定の発電に必要とされる空気の質量流を減少させる。少ない質量流の空気と組み合わせた高圧は処理される排気ガスの全容量の十分な減少を生じる。さらに、これにより、燃焼排ガスにおけるＣＯ_２の濃度および分圧の十分な増加を生じ、装置を非常に簡素化し、ＣＯ_２を捕捉するのに必要とされるエネルギーを減少させる。さらに、酸素の低い残留物含有量により、ＣＯ_２生成物中の酸素が少なくなり、これは、油井からの油回収を増加させることなどのＣＯ_２の適用にとって重要である。

特許文献３（（Ｎｏｒｓｋ Ｈｙｄｒｏ ＡＳ）２０００年８月２４日）は、主電力および二次電力システムを備える発電プラントに関する。主電力システムは、蒸気が、ガスタービンから出ていく排気ガスを冷却することによって生成されるガスタービンおよび蒸気タービンを備える複合サイクル発電プラントである。次いで冷却され、膨張した排気ガスは、二次電力システムに導入され、排気ガスは圧縮され、圧縮された排気ガスがアミンベースのＣＯ_２捕捉プラントに導入される前に再び冷却され、ＣＯ_２捕捉プラントにおいて、排気ガスは、プラントから輸送されるＣＯ_２ストリームに分離され、ＣＯ_２が少ないストリームが再加熱され、その後、ガスが電力を生成するためにタービン上で膨張し、その後、膨張したＣＯ_２が少ない排気ガスが周囲環境に放出される。複合サイクル発電プラントから出た後、排気ガスを再圧縮することによって、実質的に化学量論の燃焼により得られる程度ではないが、処理される排気ガスの容量は実質的に減少する。さらに、排気ガスのＣＯ_２の部分的圧縮が増加し、それにより、ＣＯ_２捕捉プラントの吸収装置におけるＣＯ_２捕捉の効率が再び増加する。

国際公開第２００４／００１３０１Ａ号 国際公開第２００６／１０７２０９Ａ号 国際公開第９９／４８７０９Ａ号

ＣＯ_２捕捉プロセスは、発電プラントの全体効率を実質的に減少させるエネルギー消費プロセスである。ＣＯ_２捕捉プロセスにより引き起こされる実質的な作用により、エネルギーが減少し、または熱が損失する。エネルギー損失は非常に大きな経済的関心事である。このエネルギー損失は、ＣＯ_２捕捉を実施するのに大きな障害であり、したがって、エネルギー損失の減少がＣＯ_２捕捉を経済的に可能なようにするのに重要である。

第１の態様によれば、本発明は、電力を生成し、ＣＯ_２を捕捉するための方法であって、電力および排気ガスを生成するためにガス燃料および酸素を含む気体をガスタービンに導入し、ガスタービンから排出された排気ガスはボイラー内の蒸気の生成により冷却され、冷却された排気ガスは、吸着／脱着プロセスによって、ボイラーを出ていく冷却された排気ガスからＣＯ_２を捕捉するためのＣＯ_２捕捉プラント内に導入され、その後、処理されたＣＯ_２が少ない排気ガスは周囲環境に放出され、捕捉されたＣＯ_２はプラントから輸送され、ガスタービンから出ていく排気ガスは３〜１５ｂａｒａの圧力を有し、排気ガスは、ＣＯ_２捕捉プラントを出ていった後、大気圧まで膨張される、方法に関する。ガスタービン内で３〜１５ｂａｒａの圧力まで排気ガスを部分的に膨張することによって、排気ガスの体積は多くなり、圧力は実質的に大気圧で作動するプラントプラントにおいてより高くなり、燃焼排ガス再圧縮の高いコストの必要性がなくなる。少ない体積およびより高い圧力により、いくつかの利点が生じる。少ない体積のガスは炭素捕捉装置についてのサイズ要件を減少させる。排気ガスのより高い圧力は、ＣＯ_２の分圧を増加させ、吸収プロセスおよびそれによるＣＯ_２捕捉の効率および速度を増加させる。より高い圧力はまた、効率的な方法で、高温の炭酸カリウムベースの吸収剤（吸収物、ａｂｓｏｒｂｅｎｔ）を使用することを可能にする。高温の炭酸カリウムベースの吸収剤は安定かつ非揮発性であるので、炭素捕捉プラントについて使用され／提案されている異なるアミンまたは炭酸アンモニウム吸収剤と対照的に環境的に優しく／許容可能である。

ガスタービンを出ていく排気ガスの現在好ましい圧力は６〜１２ｂａｒａである。圧力は、炭素捕捉についての好ましい圧力と、ガスタービン圧縮器のための電力およびボイラーでさらに冷却され得る膨張したガスの温度を得るためにガスタービンにおいて必要とされる膨張との間で調整（ｃｏｍｐｒｏｍｉｓｅ）される。

一実施形態によれば、排気ガス中のＮＯ_ｘは、排気ガスがボイラーを出た後、かつＣＯ_２捕捉プラント内の吸収体への導入の前に除去されるかまたは実質的に減少される。ＮＯ_ｘ除去／減少の両方のための装置の導入により、発電プラント自体からのＮＯｘの放出が減少され、プラントの炭素捕捉部分におけるＮＯ_ｘに関する問題を回避する。

別の実施形態によれば、ボイラーから出ていく排気ガスは、吸収体を出ていくＣＯ_２が少ない排気ガスとの熱交換によりさらに冷却され、その後、ＣＯ_２が少ない排気ガスはタービン上で膨張される。吸収体を出ていくＣＯ_２が少ない排気ガスとの吸収体に導入される排気ガスの熱交換により、吸収体に導入される排気ガスの温度が減少し、ストリッパにおける吸収に有益となる。さらに、希薄な排気ガスの膨張のためにタービン上で膨張する希薄な排気ガスの加熱は、膨張されるガスにエネルギーを付与するので、エネルギーがタービンから出ていく。

第２の態様によれば、本発明は、ＣＯ_２捕捉を有する複合サイクル発電プラントであって、ガスタービンと、加熱管内の蒸気の生成によって、ガスタービンを出ていく排気ガスを冷却するためのボイラーと、ボイラー内で生成された蒸気から電力を生成するための蒸気タービンサイクルと、ＣＯ_２が少ない排気ガスおよびＣＯ_２が豊富な吸収物を得るために水性吸収物が排気ガスと逆流した流れになるように構成される吸収体を含むＣＯ_２捕捉プラントと、吸収体から希薄な排気ガスを排出するための希薄な排気ラインと、吸収体から豊富な吸収物を排出し、吸収物を再生するためのストリッパ内に豊富な吸収物を導入するための豊富な吸収物ラインと、ストリッパからＣＯ_２が豊富なストリームを排出するためのＣＯ_２排出ラインと、再生された、または希薄な吸収物をストリッパから排出し、希薄な吸収物を吸収体に導入するための希薄な吸収物ラインとを備える、プラントに関し、ガスタービンは、排気ガスが３〜１５ｂａｒａの圧力まで部分的に膨張するように構成され、大気圧まで排気ガスを膨張するためのタービンが、ＣＯ_２の捕捉後、排気ガスを膨張するための吸収体の下流に配置される。

図１は本発明に係るガス火力発電プラントの第１の実施形態の原理図である。 図２は本発明に係る第２の実施形態の原理図である。 図３は本発明に係る第３の実施形態の原理図である。 図４は本発明の第４の実施形態の原理図である。

図１は本発明の基本概念を示す図である。図示したプラントは、３つの主な部分、ガスタービン１、蒸気タービン装置２、およびＣＯ_２捕捉プラント３を備える。

空気は空気ライン１０を通して圧縮機１１、１１’に導入され、その段階の間に中間冷却器１００を備える。圧縮機はまた、中間冷却器１００を備えずに作動されてもよい。圧縮された空気は、ライン１２を通して導かれ、天然ガスなどのガスと混合され、圧縮チャンバ１３内の燃料ライン１４に導入され、そこでガスは高圧下で燃焼される。典型的に、燃焼室内の圧力は、２０絶対バール（ｂａｒ ａｂｓｏｌｕｔｅ）（本明細書以下、ｂａｒａと省略する）を超える範囲である。４０ｂａｒａを超える高圧が好ましい。燃焼ガスは、圧縮排気ライン１５を通して排出され、タービン１６内に導入され、そこでガスは燃焼室内の圧力から３〜１５ｂａｒａ、例えば典型的に６〜１２の圧力まで部分的に膨張する。

排気ガスの膨張は排気ガスの温度を減少させ、膨張度は、圧縮機１１、１１’を駆動する必要性と、下流の装置およびＣＯ_２捕捉装置における好ましい高圧に十分なように排気ガスの温度を減少させる必要性との間で調整される。典型的に、４２ｂａｒａ １２５０℃〜８．４ｂａｒａまでの圧力の膨張は約８３０℃の出口温度を生じ、蒸気の生成によるさらなる外部冷却に好適である。対照的に、典型的に２６ｂａｒａで作動する低圧タービンからの膨張は、非常に高い出口温度を生じる。一例として、典型的に２６ｂａｒａ １２５０℃〜８．４ｂａｒａまでの圧力の膨張は、排気ガスの温度を約９４０℃まで低下させ、これは、外部装置における蒸気の生成によるさらなる冷却を非常に困難にする。

タービン１６は発電のために軸１８を通して発電機１７に接続される。効率的なＣＯ２捕捉のために、タービン１６からの出口における圧力は可能な限り高くすべきである。これは、タービン１６からの電力が圧縮機１１を駆動するのに十分である場合に達成される。この場合、発電機１７からの電力は小さいかまたはゼロである。この場合、発電機１７は除去されてもよい。軸１８は、圧縮機１１、タービン１６および発電機１７のための１つの共通の軸として例示されるが、当業者は、図に示されていない特別な設計を理解するだろう。例えば２軸が、圧縮機およびタービンにおける異なる流れに起因する軸における不均衡により引き起こされる問題を減少させるのに好適であってもよい。ほとんどの商業的に利用可能なガスタービンはこの軸における不均衡に対処することはできない。本発明者らは、必要な特性を有する少なくとも１つの特別なガスタービンを特定しており、これは、このような不均衡、すなわちＧＥ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｈｏｕｓｔｏｎ，ＵＳＡ製のＬＭＳ１００に対処できる。

排気ガスは、拡大した排気ライン１９においてタービン１６から排出され、ボイラー２０内に導入され、そこで排気ガスは、ボイラー２０の圧力容器内部の加熱管２１内で蒸気の生成により冷却される。排気ライン１９は二重管であってもよく、その外側管は断熱され、３００〜４００℃などの比較的低い温度に維持され、管の間の輪は３００〜４００℃以下の温度を有する空気などの流動ガスで加圧され、内側管は高温排気ガスのために使用される。ボイラー２０は、構造的完全性のために３００〜４００℃の比較的低い温度で維持される圧力容器、および高温排気ガスが加熱管２１と接触する内側筐体から構成され得る。圧力殻の低温は、圧力殻と内側加熱管筐体との間の流動空気または低温ガスにより、および／または水で内側加熱管筐体を冷却することにより達成され得る。

蒸気は、蒸気ライン２２を通してボイラー２０から排出され、蒸気タービン２３内に導入される。蒸気タービン２３は発電するための第２の発電機２４に接続される。

膨張した蒸気は、拡大した蒸気ライン２５を通して蒸気発生器２３から排出され、蒸気が凝縮されることを確実にするために冷却器２６内で冷却される。循環ポンプ２７は、水ライン２８を通して凝縮した蒸気または水をポンプでくみ上げ、ボイラー２０内の加熱管２１に戻すために設けられる。当業者は、蒸気タービン２３から側部で取り出した廃熱または蒸気を使用する水の予熱、および最終的な膨張の前の蒸気タービン２３内の部分的膨張後の蒸気の再加熱が、このサイクルの効率を増加させることを理解するだろう。

２５０〜４５０℃の間の温度で、部分的に膨張され、部分的に冷却された排気ガスは、ライン２９を通してボイラーから排出される。

空気の存在下での炭素質燃料の燃焼はＮＯ_ｘを生成する。その環境的作用以外に、ＮＯ_ｘはまた、ＣＯ_２捕捉に有害であり得る。したがって、選択的接触還元（ＳＣＲ）装置３０がボイラー２０の下流に配置される。尿素またはＮＨ_３はＳＣＲ装置内に導入され、公知の技術に従ってＮＯ_ｘを除去するための触媒上でＮＯ_ｘと反応する。ＳＣＲ装置内の温度は好ましくは２５０〜４５０℃の間である。ＳＣＲ装置のための好ましい作動温度は約３５０℃である。ＳＣＲ装置はＣＯをＣＯ２に酸化するために触媒と混合されてもよい。

ＳＣＲ装置の下流に、１つ以上の熱交換器、排気ガス洗浄器および可能な場合にはフィルタが配置される。第１の熱交換器４０は排気ガスを２５０℃以下に冷却するための燃焼排ガス冷却装置である。第２の例示した冷却装置４１は、対向する洗浄器、または複合された直接接触冷却器および研磨装置として示し、それは、水で排気ガスを冷却し、飽和させ、燃焼排ガスからＮＯ_ｘおよびアンモニアスリップなどの残留汚染物質を除去するような好ましい冷却器である。

冷却水は、再循環管４２を通して接触領域４３の上側の冷却器４１内に導入され、接触領域の下側の冷却器４１内に導入される排気ガスと逆流した流れになる。水は、冷却器４１の底部で回収され、再循環管４２を通して循環される。再循環管４２は過剰な熱を除去するために熱交換器を通る経路であってもよく、それにより、接触領域４３の上部に流れる流体は接触領域の底部より冷えている。再循環管４２は、代替として、対向する洗浄器５１の上部に直接方向付けられてもよく、流体は、ライン４９を通るＣＯ_２吸収塔４５からの比較的乾燥したガスと接触することにより冷却される。一部の水が比較的乾燥したガス内で蒸発されるため、冷却が起こる。次いで循環管５２は、対向する洗浄器４３の上部に方向付けられる。このように、燃焼排ガスの温度はＣＯ_２吸収器に必要なように調整されてもよい。

冷却した排気ガスは、清浄排気ガスライン４４を通して冷却器４１から排出され、吸収体塔４５の下側部分内に導入され、そこで排気ガスは吸収体内部の１つ以上の接触領域４６において水性吸収物（吸収剤）と逆流して流れる。水性吸収物（吸収剤）は、希薄吸収物ライン４７を通して接触領域上側で吸収体内に導入される。

排気ガス中のＣＯ_２は吸収体内部の吸収物（吸収剤）により吸収され、豊富な吸収物ライン４８を通して吸収体４５の底部から排出されるＣＯ_２の多い、または豊富な吸収物を生じる。

希薄排気ガス（吸収体に導入された排気ガス中のＣＯ_２の５０％より多く、好ましくは８０％より多くがその排気ガスから除去されている）は希薄排気ガスライン４９を通して排出される。

吸収体内の圧力は、ＳＣＲ３０、熱交換器４０および直接接触冷却器４１ならびにそれらを接続するライン内の少しの圧力降下に起因してボイラー２０内の圧力よりわずかに低い。吸収体内の圧力は可能な限り高いことが好ましいので、好ましくは、その圧力降下は可能な限り低い。ボイラー２０から吸収体４５までの圧力降下は、したがって好ましくは、１バール（ｂａｒ）未満、好ましくは０．５バール未満、例えば０．２〜０．３バールである。これは４．５〜１４．８ｂａｒａの吸収体の圧力に対応する。

吸収体内に導入される高圧と高ＣＯ_２含有量の排気ガスの組み合わせにより、高効率のＣＯ_２捕捉を得ると同時に吸収体の体積を減少させることができる。有意には、これはまた、スケールアップを必要とせずに工業的に証明された捕捉装置の使用、および残留排気ガス酸素との反応により分解しない有機吸収剤と対照的に高温炭酸カリウム吸収剤の使用を可能にする。

吸収体に使用される水性吸収剤は、アミン溶液、アミノ酸溶液、炭酸アンモニウム溶液または好ましくは酸素許容高温炭酸カリウムベースの溶液であってもよい。好ましくは、高温炭酸カリウムベースの水溶液は水に溶解した１５〜３５重量％のＫ_２ＣＯ_３を含む。適切な添加剤が、反応速度を増加させるため、および腐食を最小化するために使用されてもよい。ゼロ揮発度および優れた化学安定性のために吸収剤として無機添加剤を含む炭酸カリウムベースの吸収剤が好ましく、特に酸素の高分圧で燃焼排ガスを処理するＣＯ_２吸収物が好ましい。酸素は、吸収剤および脱着剤の濃度および温度にてアミン、アミノ酸などを含む実質的に全ての有機水溶液などの代替の吸収剤を分解する。吸収剤の分解は、吸収剤のバルクから分解された吸収剤を分離し、分解された吸収剤を交換し、廃棄物を処理する追加費用を含む、プラントの作動に対するいくつかの問題および原価要素を増大する。吸収剤の分解はまた、ＣＯ_２が少なくなった排気ガスと共に放出され得る気体の分解産物を生じる場合がある。これらの放出の一部は毒性があり、環境的に許容できない。

高温炭酸カリウムベースのシステムにおいて、ＣＯ_２は以下の全体的な可逆反応に従って吸収される：

希薄排気ガスは、希薄排気ガスライン４９を通して吸収体４５の上部で排出され、洗浄部分５０内に導入され、そこで希薄排気ガスは、接触部分５１における洗浄水に対して逆流する。洗浄水は、洗浄水再利用ライン５２を通して洗浄部分の底部で回収され、接触部分５１の上部の洗浄部分内に再導入される。ライン５２における冷却により、排気ガスからの水蒸気を凝縮でき、よって水を保存できる。あるいは、加熱により水を蒸発させ、希薄排気ガスの熱容量および体積を増加し、それにより、膨張器（エキスパンダー）５４における発電が増加する。加熱は、循環ライン４２を対向する洗浄器５０の上部まで再び方向付け、その後、対向する洗浄器４１の上部に接続されるライン５２を通して水を対向する洗浄器４１に戻すことによって、対向する洗浄器４１から対向する洗浄器５０の上部まで温水を導入することにより達成されてもよい。洗浄された希薄排気ガスは、処理された排気管５３を通して洗浄部分の上部から排出される。

処理された排気管５３内のガスは、ＳＣＲ３０を出て行く処理された排気ガスが高温排気ガスに対して加熱される熱交換器４０内に導入される。

したがって、その後、加熱され、処理された排気ガスは、発電器５５において発電するためにガスが膨張されるガスタービン５４に導入される。膨張したガスは、膨張した排気ガス管５６を通して排出され、大気中に放出される。当業者は、排気ガス中の余熱が、蒸気タービンに対してさらなる蒸気を生成するため、または対向する洗浄器５０の上部に流れる水を加熱するために、ライン２８におけるボイラー水の予熱などの蒸気サイクルにおいて使用されてもよいことを理解するだろう。

豊富な吸収物、すなわちＣＯ_２を多く含む吸収物は吸収体４５の底部で回収され、そこから、上記のように豊富な吸収物管４８を通して排出される。

酸素還元装置７３は好ましくは、ストリッピング塔６１内に導入する前に豊富な吸収物の酸素含有物を除去または実質的に減少させるために豊富な吸収物ライン４８に配置される。酸素還元装置は、ＣＯ_２の意図する使用のために、非常に高い捕捉されたＣＯ_２中の酸素含有を避けるために豊富な吸収物の酸素含有量を減少させるために提供される。多くの油田において、非常に高い酸素含有量を有するＣＯ_２は、捕捉されたＣＯ_２についての短期間で最も起こりそうな大規模使用である原油増進回収（ＥＯＲ）に受け入れられない。

酸素還元装置はフラッシュタンクであってもよく、そこで酸素は、圧力還元バルブ７２上でフラッシュすることによって豊富な吸収物から除去される。より好ましくは、酸素還元装置７３は、ストリッピングガス、最も好ましくは窒素であるが、ＣＯ_２などの他の不活性ガスが使用されてもよい、ガスにより酸素が除去されるストリッピング装置である。

酸素還元装置７３内の圧力は酸素を放出するための吸収体４６内の圧力より低い。しかしながら、酸素除去装置内の圧力は、豊富な吸収物中のＣＯ_２のかなりの部分が酸素と共にストリップされることを回避するために、ライン４４を通して吸収体に導入される排気ガス内のＣＯ_２の分圧より高い。典型的に、酸素還元装置内の圧力は２〜３ｂａｒａの間である。ストリップされた酸素およびストリッピングガスはさらなる処理のためにストリッパライン７４を通して排出される。

その後、酸素除去装置７３から出ていく豊富な吸収物は、ストリッピング塔６１内に導入される前に、１．２ｂａｒａなどの１ｂａｒａよりわずかに高い圧力までフラッシュバルブ６０上でフラッシュされる。

１つ以上の接触領域６２がストリッピング塔６１に配置される。豊富な吸収物が、ストリッパの上側接触部分の上に、および下側接触部分の下に導入される蒸気に逆流して導入される。ストリッパ内のＣＯ_２の低圧および希釈の結果である、ストリッパ内のＣＯ_２の低い分圧により、左側に進む上記の反応（１）の平衡が生じ、ＣＯ_２が吸収物から放出される。

希薄な吸収物は、ストリッピング塔６１の底部で回収され、希薄な吸収物管６３を通して排出される。希薄な吸収物管６３は、ストリッピングガスとして蒸気ライン６７を通してストリッピング塔内に導入される蒸気を生じるためにリボイラー６６において加熱される希薄な吸収物リボイラー管６４と、希薄な吸収物が吸収体４５内で再利用される希薄な吸収物再利用ライン６５との２つに分けられる。

フラッシュバルブ６８、続いてフラッシュタンク６９が、希薄な吸収物をフラッシュする（勢いよく流す（ｆｌａｓｈ））ために希薄な吸収物再利用ライン６５に提供される。気相は圧縮器７０によってフラッシュタンク６９から排出される。圧縮され、それにより加熱された気相は、さらなるストリッピング蒸気としてストリッピング塔６１内に導入される。ストリッピングタンク６９内の液相は排出され、液相が希薄な吸収物としてライン４７を通して吸収体４５内に導入される前にその圧力を高めるためにポンプ７１によりくみ上げられる。

接触部分８０を含む洗浄部分および洗浄部分の下に配置される収集プレート８１が、ストリッピング塔６１の上部に配置される。（上側）接触部分６２の上部を出ていくガスは、ストリッピング塔６１の上部でＣＯ_２排出管８２を通して排出される前に、収集プレートおよび接触部分８０を通して流れる。

洗浄および冷却水は、洗浄水ライン８３を通して洗浄部分８０上に導入され、吸収体またはガス内の他の不純物を除去するため、および水蒸気を凝縮し、それにより水を加熱するために接触部分６２から上流のＣＯ_２および水蒸気混合物と対向する流れを生じる。水は洗浄水戻りライン８４を通して収集プレート８１から排出される。循環ポンプ８５が、圧力を高め、加熱された水の流れを促進するためにライン８４に設けられ、加熱された水の流れはフラッシュバルブ８６においてフラッシュされ、フラッシュタンク８７に導入され、液相と気相が分離される。洗浄水ライン８４内の水の高いエネルギー含量および高い温度により、圧縮器９０に必要とされる電力が減少する。したがって、ライン８４における洗浄水は、収集プレート８１を出た後であるが、フラッシュバルブ８６に侵入する前に、適切な低温の廃熱を利用するように方向付けられてもよい。そのような廃熱源は、ＣＯ２圧縮器トレーン（ｔｒａｉｎ）９５において使用される中間冷却器、中間冷却器１００からの廃熱および直接接触冷却器４１からの廃熱を含んでもよい。

低圧フラッシュ操作によりここで冷却されるフラッシュタンク８７内の液相は、循環ポンプ８８を通して排出され、洗浄接触部分８０に再循環される。気相は圧縮器９０を通して排出され、その後、冷却器９１において必要に応じて冷却され、蒸気ライン９２を通して導かれ、ライン６７における蒸気と共にさらなるストリッピング蒸気として導入される。圧縮器７０からの蒸気と共に、これはストリッピング塔６１の操作に必要とされる蒸気の大部分を供給し、それにより、リボイラー６６の負荷を最小化し、全体のシステム効率を最大化する。

ＣＯ_２および残留蒸気はＣＯ_２排出管８２を通してストリッピング塔の上部で収集される。管８２内の蒸気およびＣＯ_２は、冷却器９３において冷却され、フラッシュタンク９４内に導入される。水は、フラッシュタンク９４の底部で回収され、洗浄水として水戻りライン８３内に導入される。水分平衡管９５が、水の循環量を平衡化するために、水を管８３に加えるかまたは除去するために設けられてもよい。図１は、このシステムにおける水分平衡の比較的簡略化された概略的な図である。実際に、ＣＯ_２システムにおいて水分平衡を維持することは非常に重要であり、より複雑であり得る。例えば、フラッシュタンク９４からの適切な量の液体は、ストリッピング塔６１内の接触部分６２の上部、吸収体塔４５内の接触部分４６の上部、および／または洗浄部分５０内の接触部分５１の上部に直接方向付けられてもよい。

フラッシュタンク９４内の気相は排出され、圧縮器９５により圧縮され、その後、ガスはさらに処理されて、有用な適用または蓄積のためにプラントから輸送される乾燥し、圧縮したＣＯ_２を生じる。当業者は、要求されるＣＯ２純度および送達圧力に応じて、いくつかの圧縮器の段階および脱水装置が必要とされ得ることを理解するだろう。

図２は本発明の代替の実施形態を示し、ここで、任意選択の燃料ガスライン１０１が、燃料をボイラー２０に供給するために設けられ、そのボイラー２０は１つ以上のバーナーの導入により改良されている。燃料は、ガス、油、石炭、バイオまたは他の燃料であってもよい。使用される特定のボイラー設計は燃料に応じる。以下の説明において、ガス燃料が想定される。この実施形態によれば、ボイラー２０は最初に、蒸気コイル２１との熱交換によって、燃料ガスを使用する過剰な燃焼に適切な温度までライン１９からの燃焼排ガスを冷却する。ガスは、より高い温度が好適である、ライン１９からの部分的に酸素の乏しい燃焼排ガスを燃焼する場合、安定火炎のための必要性により、およびより低い温度が好適である、ＮＯ_ｘ形成を最小化する目的により決定される、３５０〜５００℃の範囲の温度まで冷却される。典型的に、ライン１９内の燃焼排ガスは１２〜１３容量％の酸素を含有する。ライン１０１からの過剰な燃料ガスを用いて燃焼した後、残留酸素は、６容量％以下、好ましくは４容量％以下、さらにより好ましくは３容量％以下まで減少する。この燃焼からのエネルギーは蒸気コイル２１に移され、それにより、燃焼排ガスを２５０〜４５０℃の間に冷却する。この過剰な燃焼は一部の非常に重要な効果を与える。蒸気タービン２３は非常に十分なエネルギーを生成する。ボイラー２０からの燃焼排ガス内のＣＯ_２の分圧は、著しく増加し、捕捉システム３におけるＣＯ_２捕捉を非常に簡単にする。燃焼排ガス中の残留酸素は非常に減少し、ＣＯ_２吸収体４５からの豊富なＣＯ_２吸収物に溶解する酸素の量を減少させ、それにより、ＣＯ_２生成物内に漏れる酸素の量を制限する。ボイラー２０から出ていく排気ガス中の残留酸素含有量、および捕捉されたＣＯ_２の最終使用のための要件に応じて、酸素還元装置７３が省略されてもよい。さらに、ボイラー２０からの燃焼排ガス中の水蒸気の量が増加し、燃焼排ガス中の水分凝縮温度も増加し、それにより冷却器４１から利用可能なエネルギーの量および温度も増加する。

当業者はまた、完全なプロセスの基本原理が、高温およびそれにより排気ガスの再圧縮、燃料変換または空気分離を必要とせずに、加圧排気ガス精製システム３と組み合わせた効率的な発電システム１および２を可能にすることを理解するだろう。加圧排気ガス精製により、高温炭酸カリウムベースの吸収剤を使用できるが、また、アミン、アミノ酸、炭酸アンモニウム、膜または乾燥ＣＯ_２吸収剤ベースのシステムなどの他のＣＯ_２捕捉方法も可能であり、増強できる。

以下の表１は、本発明の解決策によって得られる全効率を示す本発明に係る例示的なプラントからの入力および出力を示す。表１は、燃料ガスライン１０１からのボイラー２０内の過剰な燃焼を有さない図１に関する。

以下の表２は、表１に示した例示的なプラントについてのＣＯ_２吸収体に対する供給ガスを示す。ＣＯ_２の分圧は約０．３ｂａｒａであることが示される。大気圧においてガスタービン燃焼排ガスについてより非常に高いが、これは高温炭酸カルシウムベースのＣＯ_２捕捉に関して比較的低く、０．５ｂａｒａまたはそれ以上の分圧が好ましい。このような低分圧は所望の９０％よりいくらか低いＣＯ_２捕捉を生じ得る。また、１０８ＭＷシステムについて非常に低いガスの実際の体積流量により、比較的小さな直径のＣＯ_２捕捉塔の使用が可能となる。

以下の表３は、本発明の解決策によって得られる全効率を示すために本発明に係る例示的なプラントからの入力および出力を示す。表３は、ボイラー２０内の過剰な燃焼を含む、燃料ライン１０１を有する図２に関する。

以下の表４は、表３に示した例示的なプラントについてのＣＯ_２吸収体に対する供給ガスを示す。ＣＯ_２の分圧は約０．７ｂａｒａであることが示される。これは高温の炭酸カリウムベースのＣＯ_２捕捉についての通常の範囲内であり、０．５ｂａｒａ以上の分圧が好ましい。また、発電は２倍より多いが、ガスの実際の体積流量は表２とほぼ同じであることが示される。ＣＯ_２捕捉および圧縮の両方が含まれる、表１において非常に高い熱効率は、過剰な燃焼によりわずかに減少するだけである。顕著に、ＣＯ_２吸収体に対する燃焼排ガス中の酸素のモル分率は非常に減少する。

図３は図１の実施形態に基づいた実施形態を示し、ここで、熱交換器４０において加熱された後、処理された排気管５３内のガスがさらに、ガスがタービン５４上で膨張する前に、ボイラー２０に提供される加熱コイル５３’において加熱される。ＣＯ_２希薄排気ガスのこのさらなる加熱は、接続された発電器５５を有するタービン５４からの出力を増加させる。

図４は本発明のさらに異なる実施形態を示し、ここで、図２および３の両方の実施形態のさらなる特徴が含まれる。さらなる燃料が、図２に記載されているように、燃料ライン１０１を通してボイラー２０内に導入される。さらに、図３に関して記載されている加熱コイル５３’が、タービン５３上で膨張する前に、ＣＯ_２が少ない排気ガスをさらに加熱するために提供される。

Claims (12)

1. 電力を生成し、ＣＯ_２を捕捉するための方法であって、以下の工程：
   ａ．電力および排気ガスを生成するためにガス燃料および酸素を含む気体をガスタービンに導入する工程と、
   ｂ．ボイラー（２０）内の蒸気の生成により前記ガスタービンから排出された前記排気ガスを冷却する工程と、
   ｃ．工程ｂ）からの冷却された前記排気ガスを、冷却された前記排気ガスからＣＯ_２を吸着／脱着プロセスによって捕捉するためのＣＯ_２捕捉プラントに導入して、輸送されるＣＯ_２、および処理されるＣＯ_２が少ない排気ガスを得るようにさらに処理されるＣＯ_２が豊富なストリームを生じる工程と、
   ｄ．処理された前記ＣＯ_２が少ない排気ガスを周囲環境に放出し、捕捉された前記ＣＯ_２を前記プラントから輸送する工程と、
   を含み、
   工程ａ）において前記ガスタービンから出ていく排気ガスは、３〜１５ｂａｒａの圧力を有し、工程ｃ）からの処理された前記ＣＯ_２が少ない排気ガスは、再加熱され、工程ｄ）において周囲環境に放出される前に大気圧まで膨張される、方法。
2. 追加の燃料ガスが、工程ｂ）において前記ボイラーに導入されて、前記ボイラー内で過剰な燃焼を生じる、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスタービンから出ていく前記排気ガスの圧力が６〜１２ｂａｒａの圧力を有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記排気ガス中のＮＯ_Ｘが、前記排気ガスが工程ｂ）において前記ボイラーから出ていった後で、かつ工程ｃ）において前記ＣＯ_２捕捉プラントにおける吸収体に導入される前に、除去されるかまたは実質的に減少される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. ＮＯ_Ｘが選択的接触還元により除去される、請求項４に記載の方法。
6. 前記ボイラーから出ていく前記排気ガスが、吸収体から出ていくＣＯ_２が少ない排気ガスとの熱交換によりさらに冷却され、その後、前記ＣＯ_２が少ない排気ガスがタービン上で膨張される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ボイラーから出ていく前記排気ガスとの熱交換により加熱される前記ＣＯ_２が少ない排気ガスが、膨張する前に、前記ボイラー内に挿入された加熱コイルにおいてさらに加熱される、請求項６に記載の方法。
8. ＣＯ_２捕捉を有する複合サイクル電力プラントであって、ガスタービン（１）と、加熱管（２１）内の蒸気の生成によって、前記ガスタービン（１）から出ていく排気ガスを冷却するためのボイラー（２０）と、前記ボイラー内で生成された蒸気から電力を生成するための蒸気タービンサイクル（２）と、ＣＯ_２が少ない排気ガスおよびＣＯ_２が豊富な吸収物を得るために水性吸収物が排気ガスと逆流した流れになるように構成される吸収体（４５）を含むＣＯ_２捕捉プラント（３）と、前記吸収体（４５）から希薄な排気ガスを排出するための希薄な排気ライン（４９）と、前記吸収体（４５）から豊富な吸収物を排出し、前記吸収物を再生するためのストリッパ（６１）内に前記豊富な吸収物を導入するための豊富な吸収物ライン（４８）と、前記ストリッパ（６１）からＣＯ_２が豊富なストリームを排出するためのＣＯ_２排出ライン（８２）と、再生された、または希薄な吸収物を前記ストリッパ（６１）から排出し、前記希薄な吸収物を前記吸収体（４５）内に導入するための希薄な吸収物ライン（４７）と、を備え、
   前記ガスタービン（１）は、前記排気ガスが３〜１５ｂａｒａの圧力まで部分的に膨張するように構成され、大気圧まで前記排気ガスを膨張するためのタービン（５４）が、ＣＯ_２の捕捉後、前記排気ガスを膨張するための前記吸収体（４５）の下流に配置される、プラント。
9. 過剰な燃料ライン（１０１）が、前記排気ガスに温度を加えるための前記ボイラー（２０）におけるバーナーにさらなる燃料を送達するように設けられる、請求項８に記載のプラント。
10. 選択的接触還元装置（３０）が、前記ボイラー（２０）から排出される冷却した排気ガスからＮＯ_ｘを除去するように配置される、請求項７または８に記載のプラント。
11. 希薄な排気ガスが前記タービン（５４）内に導入される前に、前記吸収体（４５）から排出されるＣＯ_２が少ない排気ガスに対して、前記吸収体（４５）への導入前に前記排気ガスを冷却するように熱交換器（４０）が配置される、請求項８、９または１０に記載のプラント。
12. 加熱コイル（５３’）が、前記熱交換器（４０）を出ていく前記ＣＯ_２が希薄な排気ガスをさらに加熱するために前記ボイラー内に挿入される、請求項１１に記載のプラント。

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