JP2018096359A

JP2018096359A - 動力発生設備

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Publication number: JP2018096359A
Application number: JP2016257881A
Authority: JP
Inventors: 久留　正敏; Masatoshi Kudome; 正敏久留
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Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-21

Abstract

【課題】発電設備を始めとする化石燃料をエネルギー源とする動力発生設備を提供する。【解決手段】空気分離装置と、空気分離の酸素で化石燃料を燃焼し高圧高温蒸気を発生する蒸気発生装置と、蒸気タービンと、蒸気発生装置排ガスによる排ガスボイラにより発生した高圧高温蒸気により駆動され排気が蒸気発生設備火炉に投入される背圧タービンと、排ガスを浄化する集じん装置と脱硫装置等で構成される排ガス浄化装置と、排ガス保有水蒸気を凝縮し排ガス中の炭酸ガスを分離し機内圧が極低圧に保持される排ガス復水装置と、排ガス浄化装置出口排ガスを駆動流体とし排ガス復水装置間の圧力差で作動する排ガスタービン発電装置と、排ガス復水装置で分離された微少非凝縮ガスを含む炭酸ガスを吸引圧縮するＣＯ２圧縮ポンプと、復水ポンプと、フィルター及び化学的水処理装置で構成される給水処理装置とボイラ給水ポンプと、により構成されるＣＯ２回収発電設備。【選択図】図４．１

Description

本発明は、化石燃料を酸素で燃焼し、蒸気発生設備の火炉における燃焼状態（燃焼温度及び熱吸収量）を火炉へ蒸気を投入することにより制御する蒸気発生設備と蒸気タービン発電設備により構成される動力発生設備に、燃焼排ガスを冷却し排ガス保有水蒸気を凝縮させ復水させることにより排ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収装置を装備した動力発生設備の発電効率及び信頼性向上に関する。

二酸化炭素（以下ＣＯ_２と記す）回収の重要性：人類が化石燃料（石炭等）を動力用エネルギー源として使用し始めた産業革命以降、その消費量増加に伴い大気中のＣＯ_２濃度は急速に増加し、今後も化石燃料の使用量は増加傾向にあることから大気中ＣＯ_２濃度の更なる増加が予想され、地球温暖化の進行により地球環境破壊による人類への深刻な影響が危惧されている。ＣＯ_２排出量削減対策には、エネルギーの高効率利用、再生可能エネルギー利用、ＣＯ_２発生量の少ない燃料への燃料転換及び原子力利用等の対策が考えられるが、対策に要する費用、効果（程度及び速度）及び安全性等の課題を伴うことから、上記対策だけでは地球温暖化問題の解決は困難なことが国際エネルギー機関（以下ＩＥＡと言う）等により予想されている。世界のＣＯ_２発生量の約７２％が化石燃料の燃焼によるものであり、約４２％が火力発電により排出されていることから、即効性に優れ抜本的な（大量の）ＣＯ_２排出量削減対策として、単位設備当たりの発生量が膨大な火力発電により排出されるＣＯ_２の分離回収貯留（ＣａｒｂｏｎＣａｐｔｕｒｅａｎｄＳｔｏｒａｇｅ：ＣＣＳと言う）の必要性が世界で認識されている。中でも石炭火力発電は、天然ガスに比べ単位発電電力量（ｋＷｈ）当たりのＣＯ_２発生量は約２倍と多いが、石炭は世界の各地で産出され安価で安定した入手が可能であることから火力発電の７０％強を占めており世界の持続的経済発展に欠くことができない。特に化石燃料資源を全面的に輸入に依存するわが国では、天然ガス発電に比べ発電コストの大幅低減（ｋＷｈ当たりの燃料費が約１／３ないし１／４に低減）が可能な石炭火力発電は経済発展に重要であることからＣＯ_２排出量削減技術の開発が急務になっている。また単位発生源当たりのＣＯ_２発生量が多い火力発電、特に石炭火力発電所におけるＣＣＳ設置は設置工事が相対的に容易でありコストパーフォーマンスが優れることと相まってＣＯ_２回収技術の開発は焦眉の急務である。以下ＣＯ_２回収石炭火力発電を対象に説明する。

ＣＣＳは、ＣＯ_２分離回収装置（ＣａｒｂｏｎＣａｐｔｕｒｅＵｎｉｔ、以下ＣＣＵと記す）が設置される発電設備システムにおける位置（設置位置に応じ適正なＣＯ_２分離回収技術が異なる）に関連して、（１）燃焼ガスからＣＯ_２を分離回収する燃焼後方式（図１に示す）、（２）燃料中の炭素（Ｃ）を燃料の部分酸化及び改質により変成して生成したＣＯ_２を分離回収する燃焼前方式（図２）、及び（３）燃料の酸素燃焼により生成される燃焼ガスの冷却に保有水蒸気の凝縮より分離されるＣＯ_２を回収する酸素燃焼水蒸気復水方式（図３）に大別される。またＣＯ_２の分離回収技術としては、（１）化学薬品によりＣＯ_２を低温で吸収させ生成された化合物を加熱し脱着したＣＯ_２を回収する化学吸収ＣＯ_２回収法（例えば非特許文献１参照）、（２）吸収液の圧力による吸収効果を利用する物理吸収ＣＯ_２回収法、（３）吸着材の吸着作用を利用する物理吸着法、（４）酸素燃焼ガスの冷却による燃焼ガス保有水蒸気の凝縮分離による酸素燃焼水蒸気凝縮法、（５）選択的透過・非透過の機能を持つ分離膜を使用する膜分離法、及びその他、諸技術の開発が進められている。

前記３方式のＣＯ_２分離回収装置（ＣＣＵ）を装備した火力発電設備及び適用されるＣＣＵ技術の主要な特徴と課題について述べる。

図１に燃焼排ガス中のＣＯ_２を分離回収するＣＣＵを装備した燃焼後ＣＯ_２回収火力発電設備の基本構成を示す。本火力発電設備おいては、蒸気発生設備（以下ボイラと言う）の火炉に供給された燃料は燃焼用空気と燃焼反応してＣＯ_２、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）及び水蒸気を主要成分とする（例えば、一般的性状の石炭燃焼の場合、それらの重量比率はそれぞれ凡そ２２％、７０％、４％、４％、その他微少である）高温燃焼ガスを生成し、蒸気タービン発電設備から供給される給水を加熱し過熱蒸気を生成し、その過熱蒸気は蒸気タービン発電設備に供給され蒸気タービン発電設備（以下蒸気タービンという）を駆動して電力を発生し、その排気は復水器で冷却され復水となりボイラへ給水として供給され循環する。一方ボイラから排出される燃焼ガスは通常脱硝装置（以下ＤｅＮＯｘと言う）、空気予熱器、除塵装置（以下Ｄｅｄｕｓｔと言う）及び脱硫装置（以下ＤｅＳＯｘと言う）等により構成される排ガス浄化装置（以下排ガスクリーナと言う）を経てＣＣＵに導入され、ＣＯ_２が分離回収され窒素（Ｎ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）及びその他の微量物質を含む排ガスは煙突から大気に放出される。分離回収されたＣＯ_２はＣＯ_２圧縮装置で昇圧されＣＯ_２中間貯留槽に供給され一時貯留される。

図２に燃焼前ＣＯ_２回収火力発電設備の基本構成を示す。この火力発電設備おいては、燃料（以下、最も主要な燃料である石炭を対象に説明する）は高温（ガス化炉の種類により差異があるが通常９００−１４００℃）で動作する石炭ガス火炉に供給され、空気分離装置により製造されたガス化用酸素（理論燃焼酸素量の約１／３−１／２）及び水蒸気とガス化反応し一酸化炭素（ＣＯ、４０−６０％）、水素（Ｈ_２、２０−３０％）、ＣＯ_２（５−２０％）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ、２−３０％）を主要成分とし窒素（Ｎ_２）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄化合物（硫化水素（Ｈ_２Ｓ），硫化カルボニル（ＣＯＳ））等の微量成分及び灰分を含有する石炭ガス化ガス（合成ガスまたはシンガスと呼称される）が生成される（括弧内数値は酸素吹き合成ガス成分の概略体積比率を示す）。石炭ガスは熱交換器（通常ボイラの一部）または水注入により適正温度に減温後、石炭ガス除塵装置で除塵しＣＯ／ＣＯＳ変成器においてＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ及び硫化水素（Ｈ_２Ｓ）に変成され、脱硫装置においてＨ_２ＳまたはＳを分離回収後、ＣＣＵに導入されＣＯ_２が分離回収される。分離回収されたＣＯ_２はＣＯ_２圧縮装置で昇圧されＣＯ_２中間貯留槽に供給され一時貯留される。水蒸気を含有するＨ_２に変成された合成ガスはガスタービン発電設備（以下ガスタービンと言う）の燃焼器に供給され、ガスタービン圧縮機より供給される燃焼空気及び空気分離装置より供給される窒素（Ｎ_２）と混合し燃焼し高温燃焼ガスとなってガスタービンを駆動し動力（一次電力）を発生する。ガスタービンからの排ガスは排ガスボイラに導入され蒸気を発生し、その蒸気は蒸気タービン発電設備に供給され動力（二次電力）を発生し、排ガスボイラから排出される窒素、水蒸気及び微量成分を含む排ガスは煙突から大気に放出される。

図３に酸素燃焼ガス水蒸気凝縮によるＣＯ_２回収装置を装備した火力発電設備の基本構成を示す。この火力発電設備おいては、燃料は空気分離装置で製造された燃焼用酸素（ほぼ理論当量の燃焼酸素が供給される）と除塵装置出口排ガスより分岐した再循環ガスの一部と混合して生成された希釈酸素と共にバーナから火炉に投入され燃焼反応し高温燃焼ガス（ＣＯ_２及びＨ_２Ｏを主要成分とし、窒素（Ｎ_２）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等のその他の微量成分及び灰分を含有する）が生成される。残り再循環ガスは直接火炉に投入され火炉内温度分布及び出口温度が適正化される。燃焼ガスは蒸気タービン発電設備から供給される加圧された給水を加熱して高温高圧蒸気を生成し、その蒸気は蒸気タービンを駆動して電力を発生する。ボイラ排ガスは再循環ガス熱交換器において前記再循環ガスを加熱し適正温度になって除塵装置に供給され、除塵されたボイラ排ガスの一部は前記再循環ガスとして排ガス再循環通風機により昇圧され前記再循環ガス熱交換器に導入される。残りのボイラ排ガスは脱硫装置に導入され硫黄酸化物（ＳＯｘ）が硫黄または石膏として除去される。浄化された排ガスは排ガス復水装置に導入され、排ガス中の水蒸気は冷却により凝縮し燃焼生成水として回収される。ＣＯ_２を主成分とし微量成分を含有する非凝縮ガスはＣＯ_２圧縮装置で昇圧されＣＯ_２中間貯留槽に供給され一時貯留される。

ＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔ：５２６５４１０発電設備、特願平２−１００４１７発電設備、特願平２−１９２４１６コンバインドサイクル複合発電設備とその運転方法、特開２００９−１５６０３３コンバインド発電ブラントおよび熱交換器、特開２００８−２５５８２２

火力発電における論点、資源エネルギー庁、平成２７年３月ＤＯＥ／ＮＥＴＬＣＡＲＢＯＮＤＩＯＸＩＤＥＣＡＰＴＵＲＥＡＮＤＳＴＯＲＡＧＥＲＤ＆ＤＲＯＡＤＭＡＰ，ＮＥＴＬ，ＤＥＣＥＭＢＥＲ２０１０ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｏａｄｍａｐ：ＣａｒｂｏｎＣａｐｔｕｅａｎｄＳｔｏｒａｇｅ２０１３ｅｄｉｔｉｏｎ，ＩＥＡ，ＳａｓｋＰｏｗｅｒ’ｓＢｏｕｎｄａｒｙＤａｍＣａｒｂｏｎＣａｐｔｕｒｅＰｒｏｊｅｃｔＷｉｎｓＰＯＷＥＲ７ｓＨｉｇｈｅｓｔＡｗａｒｄ，ＧａｉｌＲｅｉｔｅｎｂａｃｈ，２０１６／０８

化学吸収式ＣＯ_２回収装置を装備した燃焼後ＣＯ_２回収方式火力発電設備では次の課題があり実用化の妨げになっている。
（１）化学吸収式ＣＯ_２回収装置は、吸収剤によるＣＯ_２の吸収及びＣＯ_２化合物からの分離に大量のエネルギー（熱及び動力）が必要であるので、ＣＯ_２回収装置装備前の正味（送電端）発電効率がＣＯ_２回収装置装備により大幅に（絶対値で１０−１５％、相対値で約２５−３５％）低下する（［非特許文献３］及び［非特許文献４］参照）すなわち燃料消費及びＣＯ_２発生量がそれぞれ約３０−５０％増加する。
（２）ボイラ排ガス量が大きく（空気過剰率約２０％の空気燃焼であることによる）吸収・脱着反応が大気圧で行われるため回収装置構成機器は大型化し設備建設費が大きく（ＣＯ_２回収装置装備前の約５０−８０％増加する）、排ガス中のＣＯ_２の吸収・分離に大量のエネルギー及び化学薬品を必要とするので運転経費が増加し、設備建設費の増加と相まって発電原価（ＬＣＯＥ）が大きく（５０−８０％）増加する。
（３）吸収液及びその溶媒が反復使用により劣化するので定期的な交換が必要であり漏洩による環境影響の可能性がある。
（４）設備の大型化による所要敷地面積増加により立地点が制約される。

燃焼前ＣＯ_２回収方式は石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）に適用され、ＣＯ_２回収装置として物理吸収式または膜分離式ＣＯ_２回収装置が燃料処理過程（石炭ガス化及び強瀬瑛ガスの精製工程）に装備される。ＣＣＵに導入される合成ガスが酸素吹き合成ガス（質量基準で、空気吹き合成ガスの１／３−１／２）であり高圧（３０−４０ｂａｒ）でほぼ常温であるので、合成ガスの体積基準流量は燃焼後回収方式の数百分の１と小さく、ＣＣＵ装備による建設費増加及び発電効率の低下は燃焼後回収方式に比べると少ないが、以下の課題があり実用化の妨げになっている。
（１）燃焼前燃料処理装置が石炭ガス化炉、熱交換器、除塵装置（Ｄｅｄｕｓｔ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び硫化カルボニル（ＣＯＳ）変成器、脱硫装置（ＤｅＳ）等多種類の機器で構成され、特に高温還元雰囲気下で運転されるガス化炉を始めとし信頼性の確保が困難であり、頻度の高い保守補修作業が必要であるので発電設備の高稼働率の維持が難しい。
（２）石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）では、論理的には従来型蒸気タービン発電方式より相対的に高いプラント効率が得られるが、ガス化効率やガス化用空気量または酸素量やガス化温度に左右され、空気分離消費動力や合成ガスの水洗過程等における熱損失が変動することにより、従来型発電方式に比べ顕著な優位性の確保は難しい。
（３）ＩＧＣＣのプラント効率向上にはガスタービンの高温化も不可欠であるが、合成ガス燃焼高温ガスタービンの信頼性は確認されていない（天然ガス燃焼に比べ合成ガス燃焼ガスタービンの高温化には困難が予想される。燃料処理過程における機器故障があればガスタービンは甚大な損傷を受ける可能性がある。）
（４）合成ガス用のＣＣＵの運転実績は僅少で信頼性及び性能が確認されていない。

酸素燃焼排ガス冷却ＣＯ_２回収方式は石炭ガス化装置及びＣＯ_２回収装置が不要で設備はシンプルであるが、空気分離装置を必要とし次の課題があり実用化の妨げになっている。
（１）空気分離動力及びガス再循環通風機動力が大きく、化学吸収式ＣＯ_２回収装置を装備する燃焼後ＣＯ_２回収発電設備に対する優位性が少ない。
（２）ＣＣＵ及びガス化装置が不要で信頼性が高く、ＣＯ_２吸収のための化学薬品等も不要であるが、ＣＯ_２回収を行わない従来の火力発電設備に比べると正味発電効率の低下及び建設費増加は顕著である。

本発明はこのような従来のＣＯ_２回収型発電設備に付随する正味発電効率の大幅低下、建設費の大幅増加、信頼性の低下、化学薬品の使用に伴う環境汚染、窒素酸化物発生による大気汚染、オゾン層破壊物資である亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）の発生、等を防止ないしは僅少とする石炭火力発電設備の実現を目的とするものである。

本発明は、構成機器が多く特に高温高圧還元雰囲気下で稼働する石炭ガス火炉を始めとして機器の信頼性が低く高いガス化効率が得られないために高い発電効率が得られない主要原因である石炭ガス化装置、及び建設費の大幅な増加と多量のエネルギー（熱及び動力）を消費することによる発電効率の大幅低下の原因である炭酸ガス回収装置（ＣＣＵ）を廃止し、燃料の燃焼を酸素で行い燃焼ガス中の水蒸気の凝縮分離により炭酸ガス（ＣＯ_２）の高効率分離回収を可能とする排ガス復水装置を設置し、酸素燃焼による高温熱源（Ｈｅａｔｓｏｕｒｃｅ）と排ガス復水装置による低圧（高真空）低温排熱源（Ｈｅａｔｓｉｎｋ）による高効率熱力学サイクルを形成し、酸素燃焼高圧高温蒸気発生設備と、高圧高温蒸気タービン発電設備と、排ガスボイラと、排気を１００％有効利用する背圧タービンと、排ガスボイラ排ガス保有するエネルギーを動力に変換し排ガス復水装置における熱損失を僅少とする排ガスタービン、とを設置して高効率発電と、高効率ＣＯ_２回収と、設備の高い信頼性と、設備建設費の低減と、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）の発生抑止と、燃料含有硫黄、燃焼生成水、空気分離により発生するＮ_２ガス及び前記ＣＯ_２等の発電の副産物の回収と、を行う発電設備である。

本発明における石炭火力発電設備の構成と構成機器の関連及び機能について説明する。微粉炭機等により前処理され給炭機等により供給される燃料及び空気分離装置により製造された酸素と背圧タービン排気と混合し希釈された燃焼用酸酸素を、ボイラ火炉に装備されたバーナにより火炉に投入し安定した高温燃焼を行わせ、残りの背圧タービン排気を火炉に投入して火炉燃焼ガス温度及び熱吸収量の調整を行う火炉を備えた蒸気発生設備（ボイラ）と、ボイラで生成される過熱蒸気及び再熱蒸気により駆動される蒸気タービン発電機を主機とする蒸気タービン発電設備と、前記ボイラの排ガスを熱源として高温高圧蒸気を発生する排ガスボイラと、排ガスボイラ発生蒸気により駆動され電力を発生すると共に前記ボイラ火炉内圧力と同等圧力を背圧とする背圧タービンと、排ガスボイラ排気を浄化する除塵装置及び乾式脱硫装置で構成される排ガス浄化装置と、排ガス浄化装置出口排ガスと排ガス復水装置間の圧力差により駆動される排ガスタービンと、冷却水により冷却され排ガス中の水蒸気が凝縮すると共にＣＯ_２を主成分とする非凝縮ガスが連続的に排出され低圧力（高真空度）を保持する排ガス復水器と、非凝縮ガス圧縮装置（ＣＯ_２圧縮機）と、凝縮水を昇圧する復水ポンプと、燃焼生成水排出装置と、復水を浄化し化学処理する給水処理装置と、給水ポンプ、等で構成される動力（電力）発生設備である。

上述したように本発明の動力発生設備による作用は、石炭ガス化設備（ガス化炉及び合成ガス浄化装置）及びＣＯ_２分離回収装置の廃止により消費エネルギーの削減と設備信頼性の向上を図り、排ガスボイラ及び背圧タービンと排ガス復水器及び排ガスタービンとの設置により、発電効率の上昇とＣＯ_２分離回収装置無しＣＯ_２の高効率分離回収を可能にする。

（１）高効率発電
● 酸素燃焼による高温熱源と排ガス復水器設置による低圧の低温熱源による熱力学的高効サイクル形成により熱力学的高効率が得られる（熱力学の第２法則）。
●上記の高効率熱力学サイクルに、燃焼ガスの高温側より、高圧高温の蒸気タービン設備を設置し高効率発電を行い、その排ガス保有熱を回収して高圧高温蒸気を発生する排ガスボイラを設置し、排ガスボイラ発生蒸気により駆動され排気を蒸気発生設備の火炉に投入し排気保有エネルギーを１００％有効利用する背圧タービンと、排ガス復水器及び排ガスタービンとを設置して排ガスボイラ排気保有エネルギーを高効率利用し高効率発電を行う、ことにより発電設備の効率の効率が上昇する。
● 大量（発電設備に投入される燃料エネルギーの１０〜１５％）のエネルギー（熱及び動力）を消費する炭酸ガス分離回収装置（ＣＣＵ）を廃止する。空気分離装置動力（約８％）及びＣＯ_２圧縮機動力（排ガスタービン出力の約１／４）が必要であるが前記の出力増加（同一燃料消費量基準）に比べると僅少である。

（２）高効率ＣＯ_２分離回収
● 排ガス復水器における低温雰囲気下で排ガス中水蒸気をほぼ完全凝縮するので、ＣＯ_２化合物を加熱してＣＯ_２分離する方法（化学吸収法）より高い分離効率が得られる。

（３）設備の信頼性向上
● 高温高圧の石炭ガス雰囲気（腐食性が高い）の作動環境及び溶融スラッグ付着等により信頼性確保が困難な石炭ガス化炉を始めとして、多種類の機器（熱交換器、除塵装置、ＣＯ／ＣＯＳ変性器、脱硫装置、ＣＯ_２分離回収装置、等）の高圧還元囲気下における使用による故障発生が危惧される石炭ガス化装置の廃止による信頼性向上
● 多くの大型化学機器で構成される二酸化炭素回収装置（現在開発・実用化において先行している炭酸ガス化学吸収方式の場合）の廃止による信頼性向上

（４）建設費の低減
● 空気分離装置、背圧タービン発電装置及び排ガスタービン発電装置が必要であるが、蒸気発生設備及び蒸気タービン発電設備容量がその分小容量化し、建設費の高いガス化炉を含む石炭ガス化装置及び二酸化炭素回収装置の廃止により建設費の低減が可能である。従来方式（ＵＳＣプラントにＣＣＵを設置する方式）では建設費が１．５〜２倍に増加する。

（５）環境への影響の低減
● 酸素燃焼により主要オゾン層破壊物質である亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）が発生しない。
● 環境及び人体に有害なＮＯｘの発生が抑制される。
● ＣＯ_２分離回収に化学薬品を使用しないので環境を汚染しない。

（６）有用な副産物が得られる
● ＥＯＲ／ＥＧＲ（枯渇油田／ガス田からの石油／天然ガスの増産）に有用な炭酸ガス（ＣＯ_２）が得られる。
● 肥料等の化学製品製造に有用なＮ_２及びＣＯ_２が得られる。
● 燃料含有水素と酸素の燃焼により生成される水（Ｈ_２Ｏ）得られる。

燃焼後ＣＯ_２分離回収型火力発電設備の基本構成燃焼前ＣＯ_２分離回収型火力発電設備の基本構成酸素燃焼排ガス凝縮ＣＯ_２分離回収型火力発電設備の基本構成本発明の酸素燃焼重合サイクルＣＯ_２分離型回収火力発電設備の基本構成本発明の酸素燃焼重合サイクルＣＯ_２分離回収型火力発電設備（背圧タービン発電設備なし）の基本構成本発明の酸素燃焼重合サイクルＣＯ_２分離回収型火力発電設備（排ガスタービン発電設備なし）の基本構成本発明の酸素燃焼重合サイクルＣＯ_２分離回収火力型発電設備（背圧タービン発電設備及び排ガスタービン発電設備なし）の基本構成酸素燃焼重合サイクルＣＯ_２分離回収型火力発電設備（背圧タービン発電設備、排ガスボイラ及び排ガスタービン発電設備なし）の基本構成

以下、本発明の実施の形態を図４．１〜図４．５に基づいて説明する。

図４．１は本発明の第一の実施の形態を示す。図において、（１）空気分離装置は空気を分離して燃焼用酸素を蒸気発生装置に供給する。（２）蒸気発生設備は、燃料と背圧タービン排気の混合により希釈された酸素（Ｏ_２）を火炉に投入するバーナを装着し、燃焼空間であると共に節炭器より供給される給水を加熱して低温蒸気を発生する火炉と、火炉で生成された低温蒸気を加熱して高温主蒸気を生成する過熱器と、蒸気タービン設備より供給される低温再熱蒸気を加熱して高温再熱蒸気を生成する再熱器と、高圧の給水を加熱する節炭器と、により構成される。（３）蒸気タービン発電設備は、蒸気発生設備より供給される主蒸気及び高温再熱蒸気により駆動される蒸気タービンと、蒸気タービンにより駆動される発電機と、蒸気タービンで仕事をして低圧低温二酸化炭素なった蒸気タービン排気を凝縮する復水器と、復水を昇圧する復水ポンプと、給水処理装置と、給水ポンプと、蒸気タービン抽気により低温給水を予熱する給水加熱器とにより構成される。（４）排ガスボイラは前記蒸気発生設備から供給される排ガスを加熱源として供給される給水を加熱して蒸気を発生し、その蒸気は背圧タービンに供給される。（５）背圧タービン発電設備は排ガスボイラで生成された蒸気により駆動され、その排気の一部は前記のように燃焼用酸素に混合され残りは直接蒸気発生設備の火炉に投入される。（６）排ガス浄化装置はＤｅＳＯｘ（乾式脱硫装置）及びＥＰ（電気集じん装置）またはバグフィルタにより構成され、排ガスボイラより供給される排ガスを浄化する。（７）排ガスタービン発電装置は浄化された排ガスを駆動流体として排ガス復水装置間の差圧を利用して動力を発生する。（８）排ガス復水装置は冷却水により低温に保持され、排ガスタービン排気を冷却し排ガス含有水蒸気を凝縮しＣＯ_２及び微量の非凝縮ガスを分離し、ＣＯ_２はＣＯ_２圧縮機により吸引され圧縮され系外に供給され、復水器内圧は真空近傍に保持される。（９）排ガス復水装置で凝縮した復水は復水ポンプで昇圧後、燃焼生成水は系外に供給され、残りはサイクル流体として給水処理装置に供給される。（１０）給水処理装置はフィルター及び化学処理装置で構成される。給水処理装置で浄化された給水は前記排ガスボイラに供給される。

以下に第一の実施の形態における機器構成の動作を説明する。（１）高圧蒸気発生装置の火炉において燃料の水蒸気混合酸素燃焼により過剰空気燃焼させる従来の蒸気発生設備より少量・高温かつ一様な燃焼ガスが生成され、火炉熱吸収の増加と共に蒸気発生設備出口ガス温度の高温化（高温熱源）により蒸気発生設備出口ガス保有熱のより高効率利用が可能になる。さらに低温側熱源（ヒートシンク）として低温高真空度の排ガス復水装置を設置し熱力学的サイクルの一層の高効率化を図っている。この熱力学的高効率サイクルの特性を発揮させるために、蒸気発生設備で高温高圧蒸気を発生させ高効率の蒸気タービン発電（一次発電）を行い（高効率蒸気タービンサイクルの形成）、排ガスボイラにおいて蒸気発生設備排ガス保有熱により高圧高温蒸気を生成し背圧タービンを駆動しその排気を前記蒸気発生設備火炉に投入し背圧タービン排熱損失ゼロの高効率発電（二次発電）を行い（高効率背圧タービンサイクルの形成）、更に低温になった排ガスを浄化し排ガスタービンの駆動流体となし高真空度の排ガス復水器圧力まで膨張させ高効率発電（三次発電）を行い（高効率排ガスタービンサイクルの形成）高い発電効率の達成が可能である。空気分離動力が必要であるが化学吸収法炭酸ガス回収に必要な動力より少なく、火炉燃焼及び熱吸収調整を背圧タービン排気で行うので排ガス再循環通風機消費動力が発生しないので、高い送電端（正味）発電効率を達成することが可能である。（２）酸素燃焼排ガスを排ガス復水装置において冷却し含有水蒸気を凝縮分離することにより非凝縮ガスである炭酸ガスを分離し圧縮機により吸引し圧縮し系外に排出して復水装置の高真空度を保持すると共に大量のエネルギー消費と巨額の建設費を必要とする炭酸ガス分離回収装置を不要である。（３）酸素燃焼により人体及び植物に有害な窒素酸化物（ＮＯｘ）及びオゾン層破壊の主要原因物質である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）発生が抑制される。炭酸ガスの分離回収に化学薬品を使用しないのでその漏洩等による環境影響の懸念がない。（４）石炭の高効率発電に必要な石炭ガス化炉装置、石炭ガス燃焼高温ガスタービン及び炭酸ガス分離回収装置の廃止により、高効率発電と共に設備の信頼性向上、建設費の低減、環境性能の向上が可能である。（５）空気分離酸素燃焼及び排ガス冷却による炭酸ガス分離により、窒素（Ｎ２）、炭酸ガス及び燃焼生成水が発電の副産物として得られる。

図４．２は第二の実施の形態を示す。第一の実施の形態との相違点は背圧タービンを廃止し、排ガスボイラ発生蒸気を一部は燃焼用酸素と混合してバーナから、残りは直接火炉に投入することである。第一の実施の形態に比較して建設費の低減が可能である。第一の実施の形態との機器構成の動作に関する相違点は発電効率が低下することである。ただし、蒸気発生設備及び蒸気タービン発電設備の容量増加により建設費の低減は少なくなるが、発電効率の低下分を少なくすることができる。

図４．３は第三の実施の形態を示す。第一の実施の形態との相違点は排ガスタービンを廃止し、浄化装置により浄化された排ガスを直接排ガス復水装置に導入することである。第一の実施の形態に比較して建設費の低減が可能である。第一の実施形態との機器構成の動作に関する相違点は発電効率が低下することである。ただし、蒸気発生設備及び蒸気タービン発電設備の容量増加により建設費の低減は減少するが、発電効率の低下分を少なくすることができる。

図４．４は第四の実施の形態を示す。第一の実施の形態との相違点は排ガスタービンを廃止し、浄化装置により浄化された排ガスを直接排ガス復水装置に導入し、排ガスボイラ発生蒸気を蒸気タービン高圧部に導入し低圧部蒸気を抽気し一部は燃焼用酸素と混合してバーナから、残りは直接火炉に投入することである。第一の実施の形態に比較して建設費の低減が可能である。第一の実施形態との機器構成の動作に関する相違点は発電効率が低下することである。ただし、蒸気発生設備及び蒸気タービン発電設備の容量増加により建設費の低減は減少するが、発電効率の低下分を少なくすることができる。

図４．５は第五の実施の形態を示す。第一の実施の形態との相違点は排ガスタービン、背圧タービン及び排ガスボイラを廃止し、排ガス給水加熱器を設置し、排ガス給水加熱器出口給水を蒸気タービン給水と混合し、蒸気タービンの低圧段蒸気を抽気し一部を燃焼酸素と混合し一部を直接蒸気発生設備の火炉に投入することである。第一の実施形態との機器構成の動作に関する相違点は、排ガス浄化装置により浄化された排ガスを直接排ガス復水装置に導入することである。したがって第一の実施の形態に比較して建設費が可能である。第一の実施形態との機器構成の動作に関する相違点は発電効率が低下することである。ただし、蒸気発生設備及び蒸気タービン発電設備の容量増加により建設費の低減額は減少するが発電効率の低下を少なくすることができる。

Claims

化石燃料供給装置と、化石燃料燃焼用酸素製造装置（空気分離装置と言う）と、化石燃料と燃焼用酸素及び水蒸気を混合または独立に蒸気発生設備火炉に投入するバーナ装置を装備した蒸気発生設備と、蒸気発生設備により生産される蒸気により駆動される蒸気タービン発電設備と、蒸気発生設備排出燃焼ガス（排ガスと言う）を加熱源として蒸気を発生する排ガスボイラと、排ガスボイラ発生蒸気により駆動されその排気を前記蒸気発生設備のバーナ及び火炉に供給する背圧タービン発電設備と、前記排ガスボイラの排ガスを浄化（通常除塵及び脱硫を行う）する排ガス浄化装置と、排ガス浄化装置出口ガスにより駆動される排ガスタービン発電設備と、排ガスタービンの排気を冷却しその保有水蒸気を復水し非凝縮ガスを分離する排ガス復水装置と、排ガス復水装置において分離される非凝縮ガスを抽出し復水装置の高真空を保持する非凝縮ガス圧縮装置（ＣＯ_２圧縮装置と言う）と、排ガス復水装置において生成される復水を昇圧する復水ポンプと、復水を浄化及び化学処理する復水浄化装置と、燃焼生成水相当量を系外に供給し残りの浄化された復水を前記排ガスボイラに供給する給水装置と、を備えた動力発生設備、及び前記排ガスタービン発電装置または背圧タービン発電設備または前記排ガスタービン発電装置と背圧タービン発電設備を装備しない動力発生設備。