JP4885449B2 - 低排気火力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、加圧非断熱燃焼室内から出る大気圧に膨張する前の燃焼生成物に含まれるＣＯ_２量の規制方法、及び、その方法を実現する方法、並びに本方法を用いる火力発電装置に関する。

大気中のＣＯ_２濃度は、ここ１５０年で３０％近く増加している。メタン濃度は２倍になり、ＮＯｘは１５％増加している。これにより大気の温室効果が増大し、その結果、
・ 地表近傍の平均気温は、ここ１００年の間で約０．５℃上昇し、この１０年は加速傾向にある。
・ 同時期の降雨量は約１％増加している。
・ 氷河の溶解及び温度上昇に伴う膨張によって海面が１５ｃｍから２０ｃｍ上昇している。

温室効果ガスの排出量の増加が気候に変化を与え続けていくと予想される。気温は今後５０年の間に０．６℃から２．５℃の範囲で上昇するかもしれない。科学界では、指数関数的に排出量が増大しているＣＯ_２等の化石燃料の使用の増大が自然界のＣＯ_２のバランスを変えてしまったと言われており、このことが本開発を行う直接の要因となっている。

大気中のＣＯ_２量を安定化するためにすぐに行動することが重要とされる。これは、火力発電装置にて発生するＣＯ_２を回収して安全に処理することによって達成され得る。ＣＯ_２を回収するコストは、ＣＯ_２の大気中への排出を制御する全体コストの３／４相当であると仮定される。

そこで、排出ガスから相当量のＣＯ_２を除去するための、エネルギー効率がよく低コストで頑丈かつ簡単な方法が、この状況を緩和するために望まれている。長期間の調査を要さずに近い将来この方法が実現されれば大きな利益となる。

通常、火力発電装置からの排気ガスには、体積量で４％から１０％のＣＯ_２が含まれている。この最小値は主にガスタービンからのものであり、最大値には、例えば、蒸気を生成する際の燃焼室の冷却時にのみ到達する。

大気中のＣＯ_２量を安定化するには３つの機会がある。ＣＯ_２を回収することに加え、バイオマスのような無公害エネルギーが使用される場合、及び、高効率の発電装置が開発される場合である。ＣＯ_２の回収がこのうち最もコスト効率が高い。ＣＯ_２の回収には、未だに、ほとんど開発がなされておらず、これから述べる方法は、効率が低いか、又は、開発が長期間にわたって費用のかかるものである。ＣＯ_２の回収に係るすべての方法は、以下の原則の少なくとも一つを有している。

ＣＯ_２の吸収：燃焼による排気ガスを大気圧に近い状態でアミン溶液に接触させる。ＣＯ_２の何割かはアミン溶液に吸収されて再度発熱する。この技術の主な問題は、浄化後のガスのＣＯ_２分圧を、通常、４ｋＰａ（０．０４ｂａｒ）の低圧にして行うことである。そのため、エネルギー消費量がとても高くなってしまう（ＣＯ_２分圧を１．５×１０^５Ｐａ（１．５ｂａｒ）にする場合の約３倍）。浄化プラントが高価になり、清浄度と発電装置の規模とが制約要素となる。それゆえ、開発は、ＣＯ_２分圧の上昇に集中してなされる。一つの代替案として排気ガスを冷却してガスタービンに再利用する方法がある。様々な要因のうちタービンの特徴から効果が非常に限定されてしまう。他の代替案としては、排気ガスを冷却し、圧縮し、再度冷却して、例えば、アミン溶液にて浄化してから加熱して第二圧縮器として運転されるガスタービンにて膨張させる方法がある。この方法では、ＣＯ_２分圧が、例えば、５×１０^４Ｐａ（０．５ｂａｒ）に上昇して効率よく清浄することができる。本質的な欠点は、酸素分圧が通常約２×１０^４Ｐａ（０．２ｂａｒ）を超えると急激にアミンの能力が低下するのに対して、ガス中の酸素分圧が、例えば、１．５×１０^５Ｐａ（１．５ｂａｒ）に上昇してしまうことである。加えて、特別な機器のためのコストが発生する。他には第一発電装置と第二発電装置との組み合わせによる方法もある。

空気の分離：燃焼装置内に入る空気を窒素と酸素とに分離することによって、循環するＣＯ_２を発電装置の燃料ガスとして使用することができる。ＣＯ_２の生成を希釈する窒素を取り除くことによって、排気ガス中のＣＯ_２が、約１×１０^５Ｐａ（１ｂａｒ）と比較的高い分圧になる。燃焼による過剰なＣＯ_２は、比較的容易に除去することができるので、ＣＯ_２を収集する装置も簡単になり得る。しかしながら、発電装置に加えて酸素を製造するための設備が必要になるので、システムの全体コストは相対的に高くなる。材料への多大な要求に加えて、純酸素の生成と燃焼とにはかなりの安全上の課題があるからである。これは、新しいタービンの開発を要求することになる。

燃料の燃焼：炭化水素燃料を改質装置と呼ばれる加圧処理装置内で水素とＣＯ_２とに変更（改良）する。改質装置の生成物は高分圧のＣＯ_２を含むため、ＣＯ_２が分離されて排気され得、又は、他の用途に使用され得る。水素は燃料として使用される。全体の設備は、水素生成設備と発電装置とを含むことから複雑かつ高価なものとなる。

発電装置からＣＯ_２を回収する代替的な方法の共通する特徴としては、浄化を行う処理装置内でＣＯ_２の高い分圧を得ようとすることである。また、代替方法は長期間にわたって高価かつリスクを伴う開発を要する。例えば、典型的な開発期間としては１５年程度かかり、稼動するまでにさらに５年から１０年必要とされる。清浄工程のない場合には、期待される電気的な効率は最大５６％〜５８％であるが、清浄工程を有する場合には、やや楽観的であるが、４５％〜５０％である。

開発の遅れは、環境的には望まれるものではない。２００２年秋に開催された国連欧州経済委員会（ＵＮＥＣＥ）にて、「地球的な規模で指数関数的に増えつづけるＣＯ_２排出量への取り組みに対する緊急の必要性」について強調され、かつ、「可能な限り」及び「京都議定書の目標を超える必要性」のような言葉が使われた。

そこで、上述した問題を克服するために必要な設備には、以下の特徴が必要とされる。
（１）長期間でなくとも実現可能な開発。好ましくはすでに試験された回転機器を使用するのが好ましい。
（２）従来の吸収装置を効率良く使用して、最大１．５×１０^５Ｐａ（１．５ｂａｒ）の十分なＣＯ_２分圧を得るように適合させる。
（３）ＣＯ_２を吸着させる場所でのガスの体積流量を可能な限り低くする。
（４）ＣＯ_２が吸着される場所における酸素分圧を２×１０^４Ｐａ（０．２ｂａｒ）まで低下して吸着物質の劣化を最小限にする。
（５）３００℃から４００℃の温度レンジで行われるＮＯｘの実効的な除去。この除去は加圧システムにて行われるのが好ましい。
（６）競合システムと一致する効率
（７）４００ＭＷを超える大きな設備の可能性
（８）第二発電装置、改質装置、酸素の製造プロセス、又は、燃料の交換を不要にする。
（９）コンパクト、かつ、頑強な設備として浮体構造物上の造船所にて建造することによってコスト的な優位性を得る。海洋設備を使用することも可能である。

本発明によれば、昇圧する燃焼室内で酸素のもとで燃焼する炭素質燃料（carbonaceous fuel）によって発電する方法を得ることができる。燃焼による排気ガスは、電力を生み出す発電機に接続される蒸気タービンにて膨張する蒸気を発生させる際に燃焼室の温度を低下させる周囲に放出される前に、周囲に排出されないように扱われるＣＯ_２に富んだ画分と、他のプロセス及び／又は電気エネルギーの発生のための少なくとも一つのタービンにて膨張するＣＯ_２に乏しい画分とに分離される。上述のように昇圧された燃焼室内における燃焼によって、ガスを再循環させたり、燃焼生成物を異常に高温とすることなく、ＣＯ_２の高い分圧と低い酸素分圧とを有する燃焼生成物を得るという点において大きな有利性が得られる。

燃焼室内の燃焼における熱エネルギーの５０％を超えて、より好ましくは６０％を超えて、最も好ましくは、例えば８０％を超えるように、７０％を超えるエネルギーが蒸気の生成に取り出されることが好ましい。エネルギーのほとんどを蒸気として取り出すことによって、加圧された高温（約６００℃）熱交換器といった重大設備への効率の依存が抑えられ、そのような設備の使用が最小限とされる。これによって上記設備のかなりの負荷を減らすことができる。

また、燃焼室からの排気ガスは、タービンで膨張される前のＣＯ_２に乏しい画分を加熱するために、このＣＯ_２に乏しい画分と熱交換されて冷却されることが好ましい。このことは、処理されてタービンの運転に使用される排気ガスの熱エネルギー効率を高めることになる。

また、燃焼室からの排気ガスから熱エネルギーを取り出すというＣＯ_２に乏しい画分の能力を増加させるために、浄化されたＣＯ_２に乏しい画分に水及び／又は空気が追加されることが好ましい。

同様に、燃焼室に送られる前の燃料を加熱することが好ましい。これによって、全体の工程、即ち、燃料内の化学エネルギーを可能な限り電気エネルギーに変換する際の効率を増加させ得る。

とりわけ、燃料が空気圧縮機からの流水の一部と熱交換されて加熱されるのが好ましく、空気圧縮機にて熱交換されて冷却された圧縮空気が、ＣＯ_２に乏しい画分の熱容量を高めるために加えられる。

これらの組み合わせによって、大量の「安価な」、即ち、発電の効率にほとんど貢献しない低圧蒸気が、吸収剤（absorption agent）の再生のために供給される。同時に、発電に対して有益なＣＯ_２の圧縮過程における冷却器からの回収とともに、この低グレードのエネルギーを大量に回収する可能性が高まる。エネルギー生成のために低グレードエネルギーを収集することのさらなる詳細には、発電装置の好適な場所にて空気と水とからなる加圧された混合気を利用することが含まれる。この混合気は、水を蒸発させることができ、かつ、その圧力における沸点よりもかなり低い温度でも多くのエネルギーを拾い上げることができる。

これらの特徴を組み合わせることによって、４３．５％から４６％、即ち、最適化の範囲及びＣＯ_２の浄化の度合いによって範囲が決まる競合可能な効率の発電装置が、実質的に実現可能となる。９０％或いはそれ以上を清浄することが可能である。

さらに、炭素質燃料、好ましくは炭化水素の火力発電装置が、５ｂａｒ〜２５ｂａｒの圧力を作用させた状態で、空気又は酸素を多く含む空気の下、燃料が燃焼される燃焼室と、排気ガス中の主にＣＯ_２を吸収し、かつ、燃焼室から他のガスは吸収しない吸収剤に接触して冷却した排気ガスが送られる接触機器（contact device）まで、燃焼ガスを流通させる排気ガス配管と、接触機器からＣＯ _２ に乏しいガスを流通させるガス配管（１４）と、燃焼室からの排気ガスによって、ＣＯ _２ に乏しいガス流を再加熱する手段と、周囲に放出される前に、再加熱されたＣＯ _２ に乏しいガス流を膨張させる手段と、吸収したＣＯ_２とともに、吸収剤を接触機器から吸収剤の貯蔵場所まで、又は、接触機器を再生するための吸収剤を再生する手段まで搬送する手段とを備えている。燃焼室は、蒸気を供給する手段と、蒸気を膨張させる蒸気タービンに蒸気を送る配管とを備えている。

火力発電装置は、接触機器に到達する前の排気ガスに含まれる水分を凝縮するための凝縮室を備えていることが好ましい。これによって、排気ガスの燃焼によって生じる水分が取り除かれる。水分は、吸収剤を損傷／破壊しかねないため、浄化過程では排除される。

さらに、火力発電装置は、熱容量を増加させるために、凝縮室にて凝縮された水分を、ＣＯ _２ に乏しいガスを流通させるガス配管に供給する手段を備えていることが好ましい。

また、火力発電装置が、間に冷却剤が流通し、かつ、燃焼室の内表面を覆う配管が配された外側隔壁及び内側隔壁と、この配管に水を流通させる手段とを備えていることが好ましい。

以下、好適な実施形態と開示された図面を用いてより詳細に本発明を説明する。

図１に示すように、まず最初に、基本的な構成について説明する。フローダイアグラムは発電装置の大きさは関係ないが、ここでの記載量は４００ＭＷの発電装置に基づいている。

この明細書及び請求の範囲において以降「空気」と称する、空気や、酸素を多く含む空気、酸素といった酸素を含むガスは、空気配管１から送気され、圧縮機２、２’にて圧縮される。圧縮機は単段式で構わないが、圧縮機２については２段式以上のものが好ましい。圧縮機２と２’との間に配されて配管３’内の空気を冷却する熱交換器４５によって、圧縮２と２’との間で空気を中間的に冷却することが好ましい。図１に示すように、二つの圧縮機２、２’は、本発明では１．６×１０^６Ｐａ（１６ｂａｒ）を好ましい作動圧力とするのが好ましい。圧縮機２’に送気された空気は、約４×１０^５Ｐａ（４ｂａｒ）に圧縮される。この空気は、圧縮機２’から配管３’を経由して圧縮機２に送気される。この空気は、圧縮機２に送気される前に、圧縮機間に配された熱交換器４５にて冷却される。圧縮機２では、空気はさらに１．６７×１０^６Ｐａ（１６．７ｂａｒ）に圧縮される。この発電装置にて燃焼に必要な空気は、約４００ｋｇ（ａｉｒ）／ｓとされる。

圧縮空気は、圧縮機２から配管３を経由して燃焼室６に送気される。空気は強制的にチャンバ内に送気されて、圧力が燃焼室にて作動圧力に調整される。ここでは、圧力は燃焼室にて作動圧力以上の、例えば、７×１０^４Ｐａ（０．７ｂａｒ）といった、５×１０^４Ｐａ（０．５ｂａｒ）から１×１０^５Ｐａ（１ｂａｒ）の範囲の圧力状態にされなければならない。

炭素、又は、例えば炭化水素といった炭素化合物を含む、例えば、ガスやオイルのような燃料が、燃料供給部９から燃焼室６に供給される。燃焼室６に供給される燃料は、不図示のポンプ又はそのような手段によって、燃焼室に導入可能な圧力に圧縮される。そこで、燃焼室内にて例えば、７×１０^４Ｐａ（０．７ｂａｒ）といった、５×１０^４Ｐａ（０．５ｂａｒ）から１×１０^５Ｐａ（１ｂａｒ）の範囲の作動圧力にまで高められる。天然ガスを使用する場合には、このような発電装置では約１９ｋｇ（ｇａｓ）／ｓの供給量とされる。

排気ガスに含まれるＮＯｘが少量であるバーナの使用が、ガス排気に際して環境的憂慮の面で好ましい。このようなバーナとして低ＮＯｘバーナを用いた場合、ボイラーからのＮＯｘは５０ｐｐｍ未満に削減される。さらにＮＯｘが公知の技術による図示しない浄化装置においてＮＨ_３を用いて取り除かれ得る（３ＮＯ＋２ＮＨ_３＝２．５Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ）。この浄化は大気圧では９０％の効率を有するが、１．６×１０^６Ｐａ（１６ｂａｒ）ではより高くなると想定されている。それゆえ、５ｐｐｍまで浄化することができる。熱交換器を採用することによって、ガスをこの工程において最適な温度とすることができる。ＮＨ_３を使用しない他の方法もあり、ＮＨ_３に相当するＮＨ_３の変形（Ｓｌｉｐ）を使用する。

燃焼室６における燃焼は、１×１０^６Ｐａ（１０ｂａｒ）から２×１０^６Ｐａ（２０ｂａｒ）までといった、例えば、５×１０^５Ｐａ（５ｂａｒ）から２．５×１０^６Ｐａ（２５ｂａｒ）までといった、１．５×１０^５Ｐａ（１．５ｂａｒ）から３×１０^６Ｐａ（３０ｂａｒ）までの大気圧から所定の圧力状態までの間の圧力下で行われる。浄化とその後のＣＯ_２の分離の要求、及び、ガスタービンや圧縮機の運用の経験から特に好ましいのは、約１．６×１０^６Ｐａ（１６ｂａｒ）とされる。ここでは、１．６×１０^６Ｐａ（１６ｂａｒ）の圧力にて燃焼を行う。

燃焼に伴う発熱量は、約９００ＭＷとされる。

酸素を含むガス及び燃料の供給は、燃焼室からの排気ガスの残留酸素量が１％から１０％、好ましくは、１．５％から６％、より好ましくは、２％から４％となるように制御される。この値は、通常１５％程度とされるガスタービン内の値よりもかなり低い値とされる。

燃焼時に、給水配管４から供給される水が、加熱されて蒸気となって蒸気出口５から排出され蒸気タービン５３にて膨張される。タービン５３で膨張された蒸気は、その後、再加熱されるために給水配管４’を経由して燃焼室６に送られる。再加熱された蒸気は燃焼室から配管５’を経由して蒸気タービン５４に送られて膨張する。

蒸気タービン５４から蒸気が配管５６を経由して低圧タービン５７に送られてより膨張される。蒸気タービン５３、５４及び低圧タービン５７は、電気を発生させる発電機５８を駆動する共通シャフト５５に配されるのが好ましい。

膨張した蒸気／凝縮した水のほとんどは、配管５９によって低圧タービン５７から熱交換器６０に送られて、外部の冷却水によってより冷却される。冷却され／完全に凝縮した後、配管５９内の水は、ポンプ６１によってさらに循環させるために所望の圧力に昇圧される。この冷却水は、冷却すべきより温暖な流水と熱交換させるために、発電装置内の様々な場所で低温エネルギーとして管理され得る。このことは、エネルギー経済上、必須の低温エネルギーの利用／管理を可能にする。

ここでは、配管５９内の冷却流水と配管６３内のより温暖な流水とを熱交換器６２にて熱交換させる。配管６３内の流水は、蒸気の膨張が完全ではない点における低圧タービンから流出される。配管６３内の流水は、ポンプ６４の補助の下、さらに循環させるために所望の圧力に再び昇圧される。配管５９及び６３の流水は、排気ガス配管４１内の燃焼後の排気ガスと貯水部６６に送られる前に残った熱を処理するための熱交換器６７にて熱交換されて配管６５に至る。

配管５９内の冷却水の一部の流水は配管６８に分岐され、配管６８内の水が貯水部６６に送られる前に、まず、熱交換器６９にて配管４１内の部分的に冷却された排気ガスと、続いて、配管３’内の高温空気と熱交換され得る。

水は、貯水部６６から配管７０を経てポンプ７１に送水されて所望の圧力に昇圧される。ポンプ７１からは、水は配管７０を経由して熱交換器１７に送水されてガス配管４１の温暖な排気ガスと熱交換される。蒸気タービン５３及び５４から配管７２、７３に流入する流水量は比較的小さいほうが好ましく、これらの流水は、配管７６とともに示される配管７０内の伏流水と熱交換して水の加熱に使用される。熱交換器１７及び７４からの加熱水は、それぞれ配管４に流れて燃焼室の冷却に使用される。

燃焼室６内のガスは、蒸気の生成によって冷却され、燃焼室の作動温度が７００℃から９００℃、主には８００℃から８５０℃の範囲内に維持される。燃焼室内の燃焼による熱エネルギーの好ましくは５０％を超えて、より好ましくは６０％を超えて、最も好ましいのは７０％を超える熱エネルギーが、燃焼室の冷却に伴う高熱蒸気として取り出される。

大量の熱が燃焼室から除去されることにより、空気中の大部分の酸素が容認できないほどの高温にならずに使用され得る。これにより排気ガス中のＣＯ_２濃度が高濃度となり、生成されるエネルギー量に対して空気の消費量が比較的小さくてよく、比較的小さい体積量の排気ガスを浄化すれば良いという本質的な利点が得られる。高効率タービンにて電気エネルギーの大部分が生成される際、ガス−ガス熱交換器８にとって危機的な熱負荷がかなり低減されるため、熱交換器を小さくし、かつ、構造を簡単にすることができる。低い温度とし、かつ、熱負荷を下げるということは、高い温度かつ熱負荷のかかる場合よりも熱膨張や腐食に関する問題をほとんどなくすことを意味する。それゆえ、設備コストや維持コストを減らし、同時に、より多くのエネルギーが生成され、かつ、電気的な効率を大きく下げることなく排気ガスの浄化を簡単に行うこととなる。

図１に示すように、燃焼室からの排気ガスは、ガス−ガス熱交換器８、１１、及び、ガス吸収剤と接触させる接触機器１３に送気される前に排出ガスを冷却するトリム冷却器（trim cooler）１２を通過するようにガス配管１０を経て排気される。接触機器１３の圧力は、途中、熱交換器８、１１及びトリム冷却器１２を通しての圧力降下に相当する圧力しか低下しないため、燃焼室６の圧力に近いものとされる。

燃焼室６における燃焼により生じ、かつ、熱交換によって排気ガスが冷却される際に凝縮した水は、接触機器１３に送水される前に水分離器５０にて分離される。水は、接触機器の吸収剤を劣化させ、或いは破壊する恐れがある。

開示した図に示すように、熱交換器８、１１は順次接続された二つの熱交換器である。熱交換器の数やこれらの大きさは、発電装置の実際の規模や設計に依存するものであり、発電装置に応じて様々な大きさとされ得る。標準的な発電装置では、二つから四つの熱交換器が順次配される。接触機器１３の温度は、吸収剤の温度によって左右され、高い溶解性が得られる低温状態と、吸収工程における反応を速めることができる高温状態との折衷状態とされる。代表的な温度は、水の場合には２０℃、アミンの場合には５０℃、炭酸カリウムのような無機溶液の場合には８０℃から１００℃の温度とされる。

吸収剤は、水、アミン溶液、又は、高圧下で比較的多量かつ高分圧のＣＯ_２を吸収可能な炭酸溶液のような無機水溶液が好ましい。接触機器１３における吸収剤を大きな内表面上にてガスに対して逆流させるのが好ましい。

接触機器は、例えば、８×１０^５Ｐａ（８ｂａｒ）を超える、より好ましくは１×１０^６Ｐａ（１０ｂａｒ）を超える圧力に昇圧された状態で操作されるのが好ましい。圧力は、例えば１．５×１０^６Ｐａ（１５ｂａｒ）又は２×１０^６Ｐａ（２０ｂａｒ）を超えてもよい。

溶媒に吸収されない排気ガスは、タービン１５、１５’にて膨張する前にガスが加熱される熱交換器１１、８を通過しながらガス配管１４を経て接触機器から排出され、処理過程においてガスをより高い温度、かつ、高圧にするためのエネルギーとして使用され得る。水分離器５０からの水は、配管５２からポンプ５１によって排出されて浄化されたガスとともに配管１４に送水される。水は浄化されたガスの熱によって蒸発してガスの一部として供給される。この水は凝縮されて除去されることによりガスの熱容量を高める、

接触機器１３と熱交換器１１、８との間の配管１４に圧縮機を配することによって効率を高めることができる。この圧縮によりガスを加熱する。この熱は、後で取り出すことができ、熱交換器における圧力降下をより大きくすることができる。従って、小さい範囲でより多くの熱移動をさせることができることから、より安価な熱交換器を使用することができる。

配管３から排出する少量の圧縮ガス流によって、ＣＯ_２が除去されて減少する質量流量が相殺されることは明らかとされ得る。図２に示すように、例えば、予備加熱された燃焼ガス９によって熱が失われていないので、このガスを冷却して、熱交換器１１に送気される前に浄化されたガスに送られる。ガスは、配管１４内のガスと約同一温度であり、かつ、これによって冷却が見積もられるのが好ましい。

タービン１５は、例えば、タービン１５にて一部膨張されたガスを配管１４’を経てタービン１５’に送気可能に順次配された二つのタービン１５、１５’のように、複数とされることが好ましい。

圧縮機２’とタービン１５’とは、共通軸４０’によって連結され、かつ、タービン１５’の運動エネルギーが圧縮機２’の駆動に十分となるように調整されているのが好ましい。圧縮機１５は、軸４０にて圧縮機２と発電機１６とに接続されている。タービン１５における運動エネルギーは、圧縮機２の駆動に要するものよりも大きいので、残りのエネルギーは同軸上に配された発電機１６における発電に使用される。発電機は発電装置の運転開始時にモータとして機能する。この運動エネルギーは、要求があれば、例えば、吸収剤のための再循環ポンプ、ボイラー用水のための再循環ポンプ、真空ポンプ、濃縮されたＣＯ_２のための圧縮機、又は、これらの組み合わせたもののような他の目的にも当然に使用され得る。

タービン１５によって膨張されたガスは熱交換器１７に送気されて、発電装置内の好適な装置に使用するためにガスの残りの熱が熱交換されて使用される。本実施形態では、この熱は、配管４の水の加熱に使用される。

開示装置において、ＣＯ_２が含まれる溶液は、熱交換器２０及び脱離機器（desorption device）１８内の図示しない膨張機器（expansion device）を通過して配管１９を経て接触機器１３から送気される。脱離機器１８の圧力は、吸収剤の選択、かつ、ＣＯ_２の吸収量、かつ、再生要求量に依存する。圧力は、通常、接触機器１３内よりも低圧とされ、雰囲気圧力よりも２×１０^４（０．２ｂａｒ）から１×１０^５（１ｂａｒ）高い状態とされる。

脱離機器において吸収剤からの吸収したガスの放出量を増加させるために、吸収剤の一部が、通常、脱離機器の底部にて取り除かれ、脱離機器１８に戻す前に吸収剤を加熱する循環ヒータ（circulation heater）２２を通過して循環配管４４を経て送られる。循環ヒータ２２への熱エネルギーは、発電装置の他の場所から取り出される。例えば、低温タービン５７から好適な温度及び圧力にて蒸気流が配管７６に取り出され、配管７６内のより高温の蒸気によって循環配管４４内の蒸気を加熱する熱交換器２２に送られる。配管７６に取り出された蒸気は、熱交換器で凝縮されてポンプ７７によってさらに貯水部６６に送出される。例えば、２００℃の温度、かつ、２．４×１０^５Ｐａ（２．４ｂａｒ）の圧力にて、配管７６に３０ｋｇ／ｓの蒸気を取り出すことができる。

接触機器１３は、送気されるガスの高いＣＯ_２分圧によって駆動されるので、この循環ヒータに要するエネルギーは最小限で済む。同時に、使用される蒸気は、高圧タービン５３及び中圧タービン５４にて一部が既に膨張されているので、利用価値が低下している。

脱離機器１８から解放されてＣＯ_２を多く含有するガスは、ＣＯ_２を多く含有するガス流としてＣＯ_２配管２５から送気される前に、脱離機器１８の上部から分離されて、冷却される凝縮器２３と液体分離器２４とに送られることが好ましい。液体分離器２４にて分離された液体は、液体輸送配管２６を経て脱離機器に戻る。

脱離機器１８の底部から再生された吸収剤は、吸収機器１３に戻る前に、再循環配管４３に送出されて熱交換器２０にて、及び可能であれば他の熱交換器によって冷却される。

液体分離器２４から送気されたＣＯ_２を多く含有するガスは、ＣＯ_２輸送配管２５を経て圧縮機システム２８に送気される。この圧縮機システムは、貯蔵され、移送され、安全な方法で貯えられて、又は、販売されるといった方法によって圧縮される多くのガス圧縮工程を備えている。この圧縮機システムの機器及び構成は、従来のタイプからなるため、ここではこれ以上については記載しない。このＣＯ_２を多く含有するガス流は、発電装置の設計及び制御パラメータによれば、全体のＣＯ_２量の約８０％から９５％の範囲の量、より好ましくは、９０％を超える量を燃焼時に含むものとされる。

接触機器１３から配管１４に送気されるガスは、燃焼からの全体ＣＯ_２の主に約１０％の低ＣＯ_２とされている。上述のように、このガスは、配管５２を通して排気ガスから先に除去された水とともに供給され、タービン１５、１５’にて膨張される前に熱交換器１１及び８にて高温排気ガスと熱交換されて加熱される。

この方法及び機器の本質的部分は、燃焼室６における燃焼の相当部分の熱エネルギーが、タービン５３、５４を駆動するのに使用される蒸気として取り出される点である。熱エネルギーの相当量を蒸気として取り出す点において、従来の解決方法と決定的に相違する点は、燃焼室及びその結果燃焼室から排気されるガスの温度が抑えられ、かつ、ガスタービンの操作に採用される点、及び、空気中に含まれる酸素をほとんどすべて利用して高いＣＯ_２分圧とするのにもかかわらず、燃焼室の圧力容器がさらに冷却される点である。これによって、燃焼による排気ガスによって駆動されるガスタービンから熱エネルギーのほとんどすべてが取り出される発電装置の弱点部分である熱交換器８への負荷と要求とをかなり低減することができる。この発明に係る発電装置においていくつかの重要な計測すべき点を表１に示す。表１は、４００ＭＷ発電装置における様々な機器や場所での圧力、温度、流量、出力を示す。

本発明に係る発電装置の図１に示すコンフィギュレーションは、発明概念を変更することなく、熱交換器、ポンプ等について種々の変更を加えることが可能である。記号でここに示される要素は、所望の或いは記載した機能を共に与える類似の又は相違する要素の組み合わせでも構わない。従って、一つの熱交換器として記載されていても熱交換器の結合体としてもよい。同様に、このような発電装置は、少量のエネルギーで済む熱交換器や、所定の要素における圧力を規制するポンプ又は減圧弁のように、ここに記載されていないさらなる要素を包含することができる。

同様に、個々の発電装置の設計と最適化とを行う間、上述した質量流量及びエネルギー量の詳細からそれてしまっても構わない。

燃料ガスを予備加熱すると同時に、熱交換器１１の冷却側に所定量の冷却空気を供給することによって、効率を良好に向上させることができる。図２に示すように、このガスを加熱するためのエネルギーは、冷却を要する他の場所、或いは、圧縮機２、２’から取り出すことができる。例えば、空気の一部、約４５ｋｇ（ａｉｒ）／ｓを流れ３から取り出すことができる。追加の空気が、熱交換器８０を経由して配管７に送気される。この熱交換器８０において、配管９から１９ｋｇ／ｓ、１５℃で送られた燃料ガスを約２４０℃まで加熱させる一方、空気の温度を約６０℃まで低下させる。配管７の冷却空気は配管１４に送気される。配管１４では、熱交換器８、１１の作用によって配管１０内の排気ガスから熱を取り出して冷却するためのガス能力を増加させるために、より大きい体積と重量とを有する排気ガスが追加される。図２に示すような予備加熱は、計算によれば、燃焼によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置の効率を約１％高めることができる。

燃料に対して熱交換を行わせるために圧縮空気に熱を使用しない場合、代替的に、圧縮機２、２’、又は、図示しない分離した圧縮機から空気を直接配管７に供給することもできる。

高温高圧部位では、加熱される部品の構造と材料選択とに対する要求が大きい。高温高圧となる燃焼室や熱交換器のような部品の組立は複雑でコストがかかる。より圧力のかかる従来の燃焼室の場合には、高価な材料を選択せざるを得ない。そこで、外側の隔壁に圧力がかかるものとし、かつ、そこでの温度を３５０℃、好ましくは３００℃よりも低い温度に維持するように、二つ又はそれ以上互いに配される隔壁から燃焼室の壁を構成させることによって、建築コストや燃焼室の脆弱性を低減させることができる。

図３に示すように、燃焼室１００は、例えばＣＯ_２のような冷却媒体が隔壁間に流れる外側隔壁１０１と内側隔壁１０２とを備えている。ＣＯ_２は、冷却剤（cooling agent）供給源１０６から追加される。加熱されたＣＯ_２がＣＯ_２の図示しない冷却回路を介して循環される。加熱されたＣＯ_２からの熱エネルギーが、図１及び図２に示される熱交換器、又は、図示しない熱交換器のいくつかに連通される図示しない配管を介して、熱が必要な工程内の流れに追加されるのが好ましい。

燃料と酸素とを含むガス、浄化されたガス、酸素の含有の多い空気又は空気が、配管３、９を介して一つ又は複数のバーナ１０３に供給される。

図３に示すように、下流の熱交換器にて冷却に使用され得るように、ＣＯ_２が燃焼室からの送気ガス用配管１０７に送気される。外側隔壁と内側隔壁との間を循環するＣＯ_２量が規制されるので、外側隔壁１０１の温度は３５０℃、好ましくは、３００℃を超えないようにされている。外側隔壁の温度が３５０℃を超えないように維持されるため、隔壁がより高温となる場合よりも安価な材料を使用でき、組立てが容易かつ簡単になる。

外側隔壁１０１の内側には、内側隔壁１０２が構成されるように、耐熱材料が用いられる。内側隔壁の外側と内側との間には、圧力降下がないかほとんどないことから、大きな圧力負荷がかからない。所望の場合には、燃焼室の隔壁を二つよりも多い隔壁にすることができる。

燃焼室の内側壁、即ち、内側壁１０２の内側は、壁に沿って一つ又は複数の螺旋状に配された一つ又は複数の配管１０４によって覆われている。螺旋配管（spiral pipe）１０４は、内側隔壁の内側表面の全てを覆い、かつ、同時に燃焼室と内側壁１０２との両方の温度を下げるようにして燃焼室内の燃焼生成物から内側表面を保護している。配管１０４は、外側隔壁の温度が３００℃から３５０℃の範囲を超えないように格別の安全性を提供するためのボイラー水流を送水する。この熱は、配管１０４内の水に加えられ、予備加熱用にボイラー水に加えられて、相当の温度に加熱する必要のある配管を加熱する熱として熱交換器を経由して循環する圧力ガスと熱交換される。

燃焼室の温度は、燃焼室内に配れたいくつかのヒートスパイラル（heat spiral）の組み合わせであるヒートスパイラル１０５とともにさらに低下する。ヒートスパイラル１０５には、配管４及び４’を介して、及び／又は、配管１０４から直接に水／蒸気が供給される。

圧力容器としても機能させる場合には、高温熱交換器を繰り返して冷却させ、かつ、加熱させるべきではない。従って、高温熱交換器、即ち、一方の流れが３５０℃を超える熱交換器が、間にＣＯ_２や窒素のような冷却媒体が燃焼室用のものと同様の方法にて流れる外側圧力壁と内側壁とともに配されているということが利点となり得る。一方、熱交換器の周囲の容器は、冷却剤としてのボイラー水によって直接又は間接的に冷却され得る。さらに、加圧された燃焼室内に熱交換器を配してもよい。この場合、もはや圧力容器としての機能を要しない。

特に、操作の安全性を向上させ、建造コストを低減し、弱い部分や関連する不具合の危険を低減するように、いくつかの部品について他の固有の構成に調節しても構わない。従って、ＣＯ_２のような冷却ガスを燃焼室６の隔壁の冷却に使用したり、例えば、熱交換器８のような高温熱交換器を他の熱機器としても構わない。この冷却ガスが有するこの熱エネルギーは、特に、燃焼室へ流通する水の予備加熱に関連する低グレードエネルギーを利用可能な工程を行う場所を加熱するための熱交換器に供給されて使用される。壁面温度を３５０℃よりも下げるための加圧燃焼室及び加圧熱交換器を冷却することによって、高張力、低合金、かつ、安価な鋼材の使用機会が得られる。このシステムは、発電装置の始動前にこれらの機器の加熱に使用しても構わない。これによって、圧力隔壁及び配管の熱応力及び破壊の危険性を低減することができる。

符号の説明

６、５０、１００ 燃焼室
１０、１４ ガス配管
１３ 接触機器
１８ 吸収剤の再生手段
５１、５２ ＣＯ_２への水供給手段
５３、５４、５７ 蒸気タービン
１０１ 外側隔壁
１０２ 内側隔壁
１０４ 冷却配管

Claims (9)

1. 炭素質燃料から電気を発電させる方法であって、
   ５ｂａｒ〜２５ｂａｒの圧力を作用させた状態で、空気又は酸素を多く含む空気の下、燃焼室内で前記炭素質燃料を燃焼し、
   冷却によって水を分離させるＣＯ_２に富んだ画分にＣＯ_２を供給するためにＣＯ_２を吸収する吸収剤に排出ガスを接触させることによって、前記ＣＯ_２に富んだ画分が周囲に放出される前に、前記燃焼室から排出された排出ガスを、前記ＣＯ_２に富んだ画分が周囲に流出しないように処理されている前記ＣＯ_２に富んだ画分と、他のプロセスの実施及び／又は電気エネルギーの発生のために１つ以上のタービンによって膨張されるＣＯ_２に乏しい画分とに分離する前記発電方法において、
   前記燃焼室の内部隔壁を囲んでいる配管内で蒸気を発生させる間に、前記燃焼室内の温度を低下させ、
   電力を発生させるための発電機に接続された蒸気タービンによって、発生した前記蒸気を膨張させ、
   前記燃焼室からの排気ガスが、タービンで膨張される前のＣＯ_２に乏しい画分を加熱するために、このＣＯ_２に乏しい画分と熱交換されて冷却されることを特徴とする発電方法。
2. 前記燃焼室内の燃焼における熱エネルギーの５０％を超えて、より好ましくは６０％を超えて、最も好ましくは、例えば８０％を超えるように、７０％を超えるエネルギーが蒸気の生成に取り出されることを特徴とする請求項１に記載の発電方法。
3. 前記燃焼室からの排気ガスから熱エネルギーを取り出すという前記ＣＯ_２に乏しい画分の能力を増加させるために、前記ＣＯ_２に乏しい画分に水及び／又は空気が追加されることを特徴とする請求項１に記載の発電方法。
4. 前記燃料が、燃焼室に送られる前に加熱されることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の発電方法。
5. 前記燃料が空気圧縮機からの空気流の一部と熱交換されて加熱され、前記空気圧縮機にて熱交換されて冷却された圧縮空気が、前記ＣＯ_２に乏しい画分の熱容量を高めるために加えられることを特徴とする請求項４に記載の発電方法。
6. 炭素質燃料、好ましくは炭化水素の火力発電装置であって、
   ５ｂａｒ〜２５ｂａｒの圧力を作用させた状態で、空気又は酸素を多く含む空気の下、燃料が燃焼される燃焼室（６）と、
   接触機器（１３）と、
   排気ガス中の主にＣＯ_２を吸収する吸収剤に接触して冷却した排気ガスが送られる前記接触機器まで、燃焼ガスを流通させる排気ガス配管（１０）と、
   接触機器からＣＯ _２ に乏しいガスを流通させるガス配管（１４）と、
   前記燃焼室（６）からの排気ガスによって、前記ＣＯ_２に乏しいガス流を再加熱する手段と、
   周囲に放出される前に、再加熱された前記ＣＯ _２ に乏しいガス流を膨張させる手段と、
   吸収したＣＯ_２とともに、吸収剤を接触機器から吸収剤の貯蔵場所まで、又は、接触機器を再生するための吸収剤を再生する手段（１８）まで搬送する手段とを備え、
   前記燃焼室（６）が、蒸気を供給する手段として前記燃焼室の内面を囲んでいる配管と、蒸気を膨張させる蒸気タービン（５３、５４、５７）に蒸気を送る配管（５、５’）とを備えていることを特徴とする火力発電装置。
7. 前記接触機器（１３）に到達する前の排気ガスに含まれる水分を凝縮するための凝縮室（５０）を備えていることを特徴とする請求項６に記載の火力発電装置。
8. 熱容量を増加させるために、前記凝縮室（５０）にて凝縮された水分を、前記ＣＯ _２ に乏しいガスを流通させる前記ガス配管（１４）に加える手段（５１、５２）を備えていることを特徴とする請求項７に記載の火力発電装置。
9. 燃焼室（１００）が、間に冷却剤が流通し、かつ、燃焼室（１００）の内表面を覆う配管（１０４）が配された外側隔壁（１０１）及び内側隔壁（１０２）と、
   前記配管（１０４）に水を流通させる手段とを備えていることを特徴とする請求項６又は７に記載の火力発電装置。

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