JP6088933B2

JP6088933B2 - 二酸化炭素循環発電システムおよび二酸化炭素循環発電方法

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Publication number: JP6088933B2
Application number: JP2013155843A
Authority: JP
Inventors: 川斗小
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: JP2015025423A

Description

本発明の実施形態は、二酸化炭素循環発電システムおよび二酸化炭素循環発電方法に関する。

一般に、二酸化炭素循環発電システムにおいては、超臨界相二酸化炭素を加熱して得られた高温ガスによりタービンを駆動して発電を行っている。従来の二酸化炭素循環発電システムは、超臨界相二酸化炭素中でメタン等の水素含有燃料を酸素燃焼させる燃焼器と、燃焼により得られた高温ガスで駆動されるタービンと、臨界圧未満になったタービン排出ガスにより超臨界二酸化炭素を加熱する熱交換器と、熱交換器を通過したタービン排出ガスに含まれる（燃焼器での燃焼で生じた）水蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮水と気相二酸化炭素とを分離する気液分離器と、凝縮水が除去された気相二酸化炭素を超臨界状態に加圧する加圧器（ポンプ又は圧縮機）と、を備えている。加圧器により超臨界状態に加圧された二酸化炭素（超臨界二酸化炭素）は、熱交換器を介して燃焼器に供給される。このようにして、二酸化炭素がシステム内を循環するように構成されている。

従来の二酸化炭素循環発電分離システムにおいては、タービン排出ガスを二酸化炭素の臨界圧未満まで減圧した後に、凝縮器において、燃焼で生成した水蒸気を凝縮させ、その後、気相二酸化炭素と凝縮水とを気液分離させている。加圧器は、二酸化炭素を気体から超臨界状態まで加圧するため、大きな動力が求められるという問題があった。

米国特許出願公開第２０１１／０１７９７９９号

本発明が解決しようとする課題は、加圧器の動力を低減させた二酸化炭素循環発電システムを提供することである。

本実施形態によれば、二酸化炭素循環発電システムは、超臨界相二酸化炭素を加圧する加圧器と、加圧された超臨界相二酸化炭素を加熱する熱交換器と、酸素及び燃料を用いた燃焼反応により、前記熱交換器から供給される超臨界相二酸化炭素を加熱し、超臨界相二酸化炭素及び水蒸気を含む第１混合流体を排出する燃焼器と、前記第１混合流体により駆動するタービンと、前記タービンから排出される、超臨界相二酸化炭素及び水蒸気を含む第２混合流体が、前記熱交換器を介して供給され、前記第２混合流体を冷却し、超臨界相二酸化炭素及び液相水を含む第３混合流体を排出する冷却器と、前記第３混合流体を、超臨界相二酸化炭素と液相水とに分離し、分離した超臨界相二酸化炭素を前記加圧器に供給する分離器と、を備える。

本実施形態によれば、二酸化炭素循環発電方法は、超臨界相二酸化炭素を加圧する工程と、加圧された超臨界相二酸化炭素を熱交換器で加熱する工程と、酸素及び燃料を用いた燃焼反応により、前記熱交換器から供給される超臨界相二酸化炭素を加熱し、超臨界相二酸化炭素及び水蒸気を含む第１混合流体を排出する工程と、前記第１混合流体によりタービンを駆動する工程と、前記タービンから排出される、超臨界相二酸化炭素及び水蒸気を含む第２混合流体を、前記熱交換器を介した後に冷却し、超臨界相二酸化炭素及び液相水を含む第３混合流体を排出する工程と、前記第３混合流体を、超臨界相二酸化炭素と液相水とに分離し、分離した超臨界相二酸化炭素を前記加圧器に供給する工程と、を備える。

圧力と温度と物質の相状態との関係を示す状態図である。本実施形態に係る二酸化炭素循環発電システムの概略構成図である。変形例による二酸化炭素循環発電システムの概略構成図である。変形例による二酸化炭素循環発電システムの概略構成図である。変形例による二酸化炭素循環発電システムの概略構成図である。変形例による二酸化炭素循環発電システムの概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず、超臨界流体について説明する。図１は、圧力と温度と物質の相状態との関係を示す状態図である。超臨界流体の機能物質には、三態と称される気相（気体）、液相（液体）、固相（固体）の３つの存在状態がある。

図１に示すように、上記３つの相は、気相と液相との境界を示す蒸気圧曲線（気相平衡線）、気相と固相との境界を示す昇華曲線、固相と液相との境界を示す溶解曲線で区切られる。これら３つの相が重なったところが三重点である。この三重点から蒸気圧曲線が高温、高圧側に延びると、気相と液相が共存する限界である臨界点に達する。この臨界点では、気相と液相の密度が等しくなり、気液共存状態の界面が消失する。

そして、臨界点より高温、高圧の状態では、気相、液相の区別がなくなり、物質は超臨界流体となる。超臨界流体とは、臨界温度以上で高密度に圧縮された流体である。超臨界流体は、溶媒分子の拡散力が支配的である点においては気体と類似している。一方、超臨界流体は、分子の凝集力の影響が無視できない点においては液体と類似している。

二酸化炭素は、臨界温度が３１．１℃、臨界圧力が７．３７ＭＰａである。本実施形態に係る二酸化炭素循環発電システムは、超臨界状態の二酸化炭素（以下、超臨界相二酸化炭素と称す。）を加熱して、高温高圧の二酸化炭素が膨張するときにタービンを回すことにより発電を行う。

図２は、本実施形態に係る二酸化炭素循環発電システムの概略構成図である。図２に示すように、二酸化炭素循環発電システムは、加圧器２、分配器４、熱交換器７、燃焼器９、タービン１３、冷却器１６、分離器１８、及び発電機２０を備えている。

加圧器２は、超臨界相二酸化炭素１を３０ＭＰａ程度に加圧する。加圧器２は、例えばポンプまたは圧縮機である。加圧器２により加圧され出力された超臨界相二酸化炭素３は、分配器４において、後述する燃焼器９における燃焼反応で生じた二酸化炭素に相当する過剰二酸化炭素５と、系内を循環する超臨界相二酸化炭素６とに分配される。過剰二酸化炭素５は系外に排出される。

超臨界相二酸化炭素６は、熱交換器７において、後述する混合流体１４を熱源として加熱される。熱交換器７で加熱されて出力された超臨界相二酸化炭素８は、燃焼器９に供給される。燃焼器９には、メタンやメタノール等の炭素及び水素を含有する燃料１０と、酸素１１とが供給され、以下の反応式に示す燃焼反応により、二酸化炭素と水蒸気とが生じる。反応式１はメタンの燃焼反応を表し、反応式２はメタノールの燃焼反応を表す。
（反応式１）ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ
（反応式２）ＣＨ_３ＯＨ＋１．５Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ

燃焼器９における燃焼反応により超臨界相二酸化炭素は１１５０℃程度に加熱される。燃焼器９から、水蒸気と超臨界相二酸化炭素とが混合された混合流体１２が排出され、タービン１３に供給される。混合流体１２は、タービン１３内で膨張仕事をし、タービン１３を回す。これにより、タービン１３に接続された発電機２０が発電を行うことができる。

タービン１３から、水蒸気と超臨界相二酸化炭素とが混合された混合流体１４が、７．４〜１０ＭＰａ程度の圧力（二酸化炭素の臨界圧力以上）で排出される。タービン１３から排出された混合流体１４は熱交換器７に供給され、超臨界相二酸化炭素６を加熱する。

超臨界相二酸化炭素６を加熱し、熱交換器７から排出される水蒸気と超臨界相二酸化炭素とが混合された混合流体１５は、冷却器１６により３０〜４０℃程度（但し、二酸化炭素の臨界温度以上）に冷却され、超臨界相二酸化炭素と液相水との二相流体１７として排出される。

冷却器１６から排出された二相流体１７は、分離器１８で超臨界相二酸化炭素１と液相水１９とに分離される。分離器１８は、例えば静的分離器であり、超臨界相二酸化炭素１（比重約０．３）と液相水１９（比重約１）の比重差を用いて分離を行う。分離器１８には、遠心分離器、サイクロン、コアレッサー、フィルターセパレータ等を用いてもよい。

分離器１８で分離された超臨界相二酸化炭素１は加圧器２に供給される。このようにして、超臨界相二酸化炭素がシステム内を循環する。また、分離器１８で分離された液相水１９は系外に排出される。これにより、燃焼反応で生じた水（Ｈ_２Ｏ）を循環媒体である二酸化炭素から分離・除去することができる。

本実施形態では、超臨界相二酸化炭素と液相水との二相流体１７が分離器１８に供給され、超臨界相二酸化炭素１と液相水１９とに分離される。つまり、システム内を循環する二酸化炭素は気相にならず超臨界相のままであり、加圧器２は二酸化炭素を気相から超臨界相まで加圧する必要がない。

熱交換器７から排出される混合流体１５を二酸化炭素の臨界圧未満まで減圧して気相にし、凝縮器により、燃焼で生成した水蒸気を凝縮させ、その後、気相二酸化炭素と凝縮水とを気液分離させる構成とした場合、加圧器２が二酸化炭素を気体から超臨界状態まで加圧するため、大きな動力が必要となる。また、中間冷却を伴う多段圧縮が必要となる。また、気相二酸化炭素は、超臨界相二酸化炭素よりも水分含有量が多くなり、分離・除去される水の量が少なくなる。

一方、本実施形態では、二酸化炭素を超臨界相のままにして、分離器１８で超臨界相二酸化炭素１と液相水１９とに分離する。そのため、上述したような気相二酸化炭素と凝縮水とを気液分離する場合と比較して、燃焼反応で生じた水を多く分離・除去することができる。また、加圧器２は二酸化炭素を気相から超臨界相まで加圧する必要がなく、動力を低減することができる。

このように、本実施形態によれば、二酸化炭素循環発電システムの加圧器の動力を低減させることができる。

上記実施形態において、分離器１８は、二相流体１７を超臨界相二酸化炭素１と液相水１９とに分離する。分離器１８から排出される液相水１９は、比較的高い圧力を有しているため、図３に示すように、液相水１９を水力タービン３０に供給して動力を回収するようにしてもよい。

また、水力タービン３０から減圧されて排出される液相水を気水分離器（図示せず）に供給し、液相水１９に溶解していた二酸化炭素を分離・回収するようにしてもよい。

図４に示すように、分配器４０により超臨界相二酸化炭素６を超臨界相二酸化炭素６ａ、６ｂに分配し、超臨界相二酸化炭素６ａと酸素１１とを混合してから燃焼器９に供給するとともに、熱交換器７を介して超臨界相二酸化炭素６ｂを燃焼器９に供給する構成にしてもよい。

このような構成にすることで、図２に示すような酸素１１を燃焼器９に直接供給する場合と比較して、燃焼器９での燃焼反応の安定性を高めることができる。なお、超臨界相二酸化炭素６ａと酸素１１とを混合したものも別途、熱交換器７を介して燃焼器９に供給する構成にしてもよい。

上記実施形態では、加圧器２により加圧され出力された超臨界相二酸化炭素３が分配器４に供給されていたが、図５に示すように、分離器１８から排出された超臨界相二酸化炭素１を分配器４に供給してもよい。分配器１により、超臨界相二酸化炭素１が、過剰二酸化炭素５と、系内を循環する超臨界相二酸化炭素６とに分配される。超臨界相二酸化炭素６は加圧器２に供給される。

また、タービン１３から排出される混合流体１４を用いる排熱回収ボイラを設け、蒸気を生成し、蒸気タービンに供給するようにしてもよい。

また、図６に示すように、加圧器２に供給される超臨界相二酸化炭素１を冷却して液相にし、液相二酸化炭素１Ａを加圧器２に供給する冷却器６０を設けてもよい。液相二酸化炭素１Ａとすることで二酸化炭素の密度が上がり、加圧器２で加圧し易くなり、加圧器２の動力をさらに低減することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、二酸化炭素循環発電システムの加圧器の動力を低減させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２加圧器
４分配器
７熱交換器
９燃焼器
１３タービン
１６冷却器
１８分離器
２０発電機

Claims

超臨界相二酸化炭素を加圧する加圧器と、
加圧された超臨界相二酸化炭素を加熱する熱交換器と、
酸素及び燃料を用いた燃焼反応により、前記熱交換器から供給される超臨界相二酸化炭素を加熱し、超臨界相二酸化炭素及び水蒸気を含む第１混合流体を排出する燃焼器と、
前記第１混合流体により駆動するタービンと、
前記タービンから排出される、超臨界相二酸化炭素及び水蒸気を含む第２混合流体が、前記熱交換器を介して供給され、前記第２混合流体を冷却し、超臨界相二酸化炭素及び液相水を含む第３混合流体を排出する冷却器と、
前記第３混合流体を、超臨界相二酸化炭素と液相水とに分離し、分離した超臨界相二酸化炭素を前記加圧器に供給する分離器と、
を備える二酸化炭素循環発電システム。
前記分離器は、比重差を用いて、前記第３混合流体を、超臨界相二酸化炭素と液相水とに分離することを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素循環発電システム。
前記分離器から排出される前記液相水により駆動する水力タービンをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の二酸化炭素循環発電システム。
前記加圧器により加圧された超臨界相二酸化炭素を第１超臨界相二酸化炭素と第２超臨界相二酸化炭素とに分配する分配器をさらに備え、
前記第１超臨界相二酸化炭素は酸素と混合されて前記燃焼器に供給され、
前記第２超臨界相二酸化炭素は、前記熱交換器において前記第２混合流体を熱源として加熱され、前記燃焼器に供給されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の二酸化炭素循環発電システム。
前記分離器から排出される前記超臨界相二酸化炭素を冷却し、液相二酸化炭素を排出する第２冷却器をさらに備え、
前記加圧器は、前記液相二酸化炭素を加圧して超臨界相二酸化炭素を排出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の二酸化炭素循環発電システム。
前記分離器は、遠心分離器、サイクロン、コアレッサー、又はフィルターセパレータであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の二酸化炭素循環発電システム。
超臨界相二酸化炭素を加圧器で加圧する工程と、
加圧された超臨界相二酸化炭素を熱交換器で加熱する工程と、
酸素及び燃料を用いた燃焼反応により、前記熱交換器から供給される超臨界相二酸化炭素を加熱し、超臨界相二酸化炭素及び水蒸気を含む第１混合流体を排出する工程と、
前記第１混合流体によりタービンを駆動する工程と、
前記タービンから排出される、超臨界相二酸化炭素及び水蒸気を含む第２混合流体を、前記熱交換器を介した後に冷却し、超臨界相二酸化炭素及び液相水を含む第３混合流体を排出する工程と、
前記第３混合流体を、超臨界相二酸化炭素と液相水とに分離し、分離した超臨界相二酸化炭素を前記加圧器に供給する工程と、
を備える二酸化炭素循環発電方法。