JPH04334704A - 燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラ、炉等の燃焼系
を加圧して燃焼させる加圧燃焼装置から排出される燃焼
ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２）等を効率よく分離する方
法及び装置、詳しくは、燃焼ガスの温度を熱交換等によ
り下げた後、ガスタービンに導入し膨張させてＣＯ２の
液化温度以下の低温にすることにより、ＣＯ２とともに
、水、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、
一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）の１種以上を液化又は／及び固
化させて分離する方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素系燃料を燃焼させると、燃焼ガス中
にＣＯ２が含まれる。地球温暖化の最大の原因と目され
ているＣＯ２の燃焼ガスからの分離技術は、いまだ模索
段階で、各種の方法が試みられているが、いずれも実用
化に程遠い。炭素系燃料、例えば石炭には硫黄分や窒素
分が多量に含まれており、燃焼時に発生するＳＯｘ、Ｎ
Ｏｘの除去も、設置スペースやコストの点で大きな課題
となっている。そこで、現在検討されている方式として
、ボイラ等の燃焼系を圧力容器内に収納し、３〜２０ｋ
ｇ／ｃｍ２　Ａの高圧下で燃料を燃焼させ、かつ、ボイ
ラ内に脱硫剤を投入して炉内脱硫する加圧ボイラ方式、
例えば加圧流動床方式が知られている。このように、加
圧することにより、ボイラ部が大幅にコンパクト化でき
ることも特徴となっている。炉内脱硫するには、燃焼部
分である流動層の温度を８５０℃前後にすることが有効
で、従来の常圧の流動床ボイラは、殆ど８５０℃前後の
温度が選定されている。一方、ＮＯｘは、温度が高いと
多く発生し、その点８５０℃は他の燃焼方式の１６００
〜１７００℃に比べると大幅に温度が下がっており、通
常の微粉炭焚きボイラがＮＯｘ濃度２００ｐｐｍ位が下
限といわれているのに比べ、一般にＮＯｘ濃度１００ｐ
ｐｍ以下にすることも難しくない。この加圧ボイラ方式
を構成するには、燃焼用の空気を高圧にすることが必要
で、ガスタービンが使用される。

【０００３】また、特開昭６０−４０７３３号公報には
、閉サイクル・ガスタービン装置において、発生するＣ
Ｏ２を、炭酸カリウム溶液等の吸収性液体媒質に吸収さ
せて除去する装置が記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、ＣＯ２
を吸収液に吸収させて除去する方式では、吸収されたＣ
Ｏ２と吸収液とを分離する装置、すなわち吸収液再生装
置が必要であり、また、分離されたＣＯ２は気体状であ
るので、体積が大きい上に、その取扱いが困難であると
いう問題点がある。燃焼ガス中に含まれる各種ガス化合
物の物性は、表１の通りである。なお各数値は常圧下の
値である。

【０００５】

【表１】

【０００６】また、燃焼ガス中に含まれる固化物質の物
性は、表２の通りである。

【０００７】

【表２】

【０００８】ＣＯ２は−７０℃前後で液化し、−７８．
９℃で固化し、ドライアイスとなる。他の公害物質（Ｎ
２Ｏ、ＮＯ２、ＮＯ、ＳＯ２）も、ＮＯを除いて−１０
０℃位までに液化する。本発明は、上記の諸点に鑑みな
されたもので、加圧燃焼装置から排出される燃焼ガスの
温度を熱交換等により下げた後、ガスタービンに導入し
膨張させて、−６０℃前後より低温にすることにより、
ＣＯ２等を液化又は／及び固化させて、効率よく容易に
分離することができる方法及び装置を提供することを目
的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、請求項１の燃焼ガス中の二酸化炭素等を
分離する方法は、図１に示すように、ボイラ、炉等の燃
焼系を圧力容器１２内に収納し加圧状態で燃料を燃焼さ
せる加圧燃焼方法において、燃焼系からの燃焼ガスを低
温流体と熱交換させて温度を下げ、ついで、この燃焼ガ
スをガスタービン２６に導入し膨張させて二酸化炭素の
液化温度以下にして、二酸化炭素と、水、硫黄酸化物、
窒素酸化物、一酸化二窒素からなる群より選ばれた物質
とを液化又は／及び固化させた後、燃焼ガスから分離す
ることを特徴としている。請求項２の方法は、図５に示
すように、ボイラを圧力容器１２内に収納し加圧状態で
燃料を燃焼させ、ボイラで発生するスチームを蒸気ター
ビン３４に導入して発電する方法においてボイラからの
燃焼ガスをガスタービン２６に導入し膨張させて二酸化
炭素の液化温度以下にして、二酸化炭素と、水、硫黄酸
化物、窒素酸化物、一酸化二窒素からなる群より選ばれ
た物質とを凝縮又は／及び固化させた後、燃焼ガスから
分離し、この清浄燃焼ガスを廃熱回収発電装置の低温側
熱源とし、蒸気タービン３４の排気を廃熱回収発電装置
の高温側熱源とすることを特徴としている。請求項３の
方法は、図６に示すように、ボイラを圧力容器１２内に
収納し加圧状態で燃料を燃焼させ、ボイラで発生するス
チームを蒸気タービン３４に導入して発電する方法にお
いてボイラからの燃焼ガスをガスタービン２６に導入し
膨張させて二酸化炭素の液化温度以下にして、二酸化炭
素と、水、硫黄酸化物、窒素酸化物、一酸化二窒素から
なる群より選ばれた物質とを凝縮又は／及び固化させた
後、燃焼ガスから分離し、この清浄燃焼ガスを圧縮機（
１４）入口空気の予冷用熱源とすることを特徴としてい
る。請求項４の方法は、図７〜図１０に示すように、ボ
イラ、炉等の燃焼系を圧力容器１２内に収納し加圧状態
で燃料を燃焼させる加圧燃焼方法において、燃焼系から
の燃焼ガスをガスタービン２６に導入し膨張させて二酸
化炭素の液化温度以下にして、二酸化炭素と、水、硫黄
酸化物、窒素酸化物、一酸化二窒素からなる群より選ば
れた物質とを凝縮又は／及び固化させた後、燃焼ガスか
ら分離し、この清浄燃焼ガスを発電装置又は動力発生装
置の低温側熱源とし、燃焼系からの燃焼ガスの一部を発
電装置又は動力発生装置の高温側熱源とすることを特徴
としている。

【００１０】請求項５の方法は、図１４に示すように、
ボイラ、炉等の燃焼系を圧力容器１２内に収納し加圧状
態で燃料を燃焼させる加圧燃焼方法において、燃焼系か
らの燃焼ガスをガスタービン２６に導入し膨張させて二
酸化炭素の液化温度以下にして、二酸化炭素と、水、硫
黄酸化物、窒素酸化物、一酸化二窒素からなる群より選
ばれた物質とを凝縮又は／及び固化させた後、燃焼ガス
から分離し、この清浄燃焼ガスを燃料電池発電装置のガ
スタービンの中間冷却器１２６の冷却用熱源、又はガス
タービンの圧縮機入口空気の予冷用熱源とし、燃焼系か
らの燃焼ガスの一部を燃料電池発電装置の改質器１２２
の熱源とすることを特徴としている。請求項６の方法は
、図１５に示すように、加圧流動床ボイラ１３０の炉内
に脱硫剤を投入して炉内脱硫を行なう方法において、加
圧流動床ボイラ１３０からの燃焼ガスの一部をガスター
ビン２６に導入し膨張させて二酸化炭素の液化温度以下
にして、二酸化炭素と、水、硫黄酸化物、窒素酸化物、
一酸化二窒素からなる群より選ばれた物質とを凝縮又は
／及び固化させた後、燃焼ガスから分離し、加圧流動床
ボイラ１３０からの燃焼ガスの残部を第２の発電装置１
３１の高温側熱源とし、分離した二酸化炭素の昇華、蒸
発の潜熱を冷却熱源とすることを特徴としている。請求
項７の方法は、図１６に示すように、加圧流動床ボイラ
１３０からの燃焼ガスに燃料と空気又は酸素とを吹き込
み、燃焼ガス温度を上げて一酸化二窒素を分解すること
を特徴としている。

【００１１】請求項８の方法は、上記の各方法において
、図１に示すように、ガスタービン入口の燃焼ガスを冷
却水により間接的に冷却することを特徴としている。 請求項９の方法は、上記の各方法において、図１に示す
ように、ガスタービン入口の燃焼ガスを、ガスタービン
の低温排気から二酸化炭素等を分離したガスにより間接
的に冷却することを特徴としている。請求項１０の方法
は、上記の各方法において、図２に示すように、燃焼ガ
スがガスタービンに導入される前に、燃焼ガス中のダス
トを分離することを特徴としている。

【００１２】そして、請求項１１の装置は、図１に示す
ように、圧力容器１２内に収納された燃焼室１８と、燃
焼室に炭素系燃料を加圧して供給する燃料供給装置２２
と、燃料燃焼用の空気又は酸素を加圧して供給する空気
供給装置２４と、燃焼室内に配置された伝熱管２０と、
燃焼室からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービン２
６とからなる加圧燃焼装置において、燃焼室１８の燃焼
ガスダクトに伝熱管部１６を設けるとともに、この伝熱
管部１６を圧力容器１２内に収納し、ガスタービン２６
の排気導管に、液化又は固化した二酸化炭素等を分離す
るためのＣＯ２セパレータ３２を接続したことを特徴と
している。請求項１２の装置は、上記の装置において、
図１に示すように、ガスタービン２６入口の燃焼ガス導
管に、冷却水を間接的に流通させる冷却器２８を接続し
たことを特徴としている。請求項１３の装置は、上記の
各装置において、図１に示すように、ガスタービン２６
入口の燃焼ガス導管に、ＣＯ２セパレータ３２を出た低
温ガスを間接的に流通させる予冷器３０を接続したこと
を特徴としている。請求項１４の装置は、上記の各装置
において、図２に示すように、ガスタービン２６入口の
燃焼ガス導管に、ダストセパレータ４４を接続したこと
を特徴としている。

【００１３】本発明を実施するためには、ガスタービン
の排気温度をできるだけ下げなければならない。水蒸気
をより多く除去するには、ガスタービンの圧力比、膨張
比を、同じ温度であれば圧力が高い程、大きくする。こ
れは、圧力比を大きくすると、同じ温度でも、ガス流量
当たりの残存Ｈ２Ｏ蒸気が減るからである。通常、冷却
水は大気温より若干低い位である。ガス温度を更に下げ
るには、低温のガスタービン排気で冷却する。ここで、
０℃まで排ガス温度を冷却すると、殆ど完全に水分除去
できる。また、ＳＯ２は−７５．５℃で、ＣＯ２は約−
７０℃まで冷やすと液化分離できる。これらの成分を凝
縮させて分離するとき、膨張工程で等温変化に近づくの
で、ガスタービンの出力が増える。したがって、動力の
回収が増えるので、発電効率の低下が防げる。ガスター
ビンの入口温度を更に下げると、出口排気温はＣＯ２の
固化（ドライアイス）温度以下となり、ＣＯ２を固体で
分離できる。したがって、後の処理が有利である。この
場合、ガス中のＣＯ２の濃度が低いほど、ガスタービン
の排気の温度を下げるための膨張比が小さく、かつター
ビン入口温度もそれほど下げておかなくてもよいから分
離しやすい。ＣＯ２の分離で発熱するから、ＣＯ２の濃
度が高いときには、タービン出口の温度をさらに低温に
しないと、全部分離できない。また、ＣＯ２を固化させ
て分離する場合は、ＳＯ２も同時に液化分離できるので
、流動床ボイラの炉内脱硫方式を使用せずに脱硫するこ
とができ、このため、燃焼ガス系の圧損が小さくて済む
。 一般に流動床では、流動化のため１０００ｍｍＡｑ位の
圧損がある。

【００１４】試料中の炭素の含有量は、燃料の種類によ
って異なり、燃焼ガス中のＣＯ２のモル濃度も異なって
くる。ボイラや炉の場合、燃焼ガス中のＣＯ２濃度は、
８〜２０モル％位と考えてよい。燃焼ガス中のＣＯ２濃
度を１６．２モル％、ガスタービンの膨張比をε、ガス
タービン入口ガス温度をＴ２［Ｋ］とし、完全ガスとし
てκ＝１．４０３で計算する。ただし、ガスタービン断
熱効率（内部効率）を０．８７とする。計算結果を表３
及び図１７に示す。ガスタービン入口温度を０℃とし、
ε＝１５として、完全ガスで計算すると排気温度は−１
２８．７℃となる。ｔ２はガスタービン入口温度、ｔ３
はガスタービン出口温度である。ＣＯ２が凝縮するとき
に熱を出すので、実際には、−１２８．７℃までは下が
らない。全体で５８．３モル（石炭１ｋｇから発生する
全モル数）含まれるＣＯ２のうちｘだけ凝縮するとすれ
ば、５８．３ｘの凝縮の熱の分だけ温度が上昇すると考
え、凝縮熱ｑｃｏ２は、 　　　　ｑｃｏ２＝５８．３ｘ×０．０４４×８８．１
２＝２２６．０５ｘ［ｋｃａｌ／ｋｇ］燃焼ガスは、 １１−２５．６×０．０１８＝１０．５３９［ｋｇ］で
あり、比熱を０．２４０５ｋｃａｌ／ｋｇ・Ｋとすれば
、１０．５３９×０．２４０５×ΔＴ＝２２６．０５ｘ
となる。凝縮温度を−７８．９℃とすると、ΔＴ＝−７
８．９＋１２８．７＝４９．８［℃］であるから、ｘ＝
０．５５８となり、計算上は、全量は凝縮しない。同様
に計算し、膨張タービン入口を−２０℃とし、ε＝２０
とすると、ちょうど全量ＣＯ２が凝縮する。ＣＯ２の含
有量が少ないケースには、０℃、ε＝１５でも十分全量
凝縮できる。つぎに、−７８．９℃の排気で、どこまで
タービン入口温度を下げられるかについて検討する。石
炭の場合でみる。ε＝１５とすると、残モル数は１．７
９モルである。 １．７９×０．０１８×（５４０＋４０×０．５）＋（
２７５．４×２８．１×１０−３×０．２４０５＋５８
．３×０．０４４×０．１９２３）×Δｔｔ　＝２７５
．４×２８．１×１０−３×０．２４０５×７８．９（
ただし、排温度０℃とする。） １８．０４３２＋７．１２８７Δｔｔ　＝１４６．８４
６Δｔｔ　＝１８．１［℃］ つまり、−１８．１℃まで下げることができる。更に温
度を下げたいときには、膨張比を大きくすればよい。

【００１５】

【表３】

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を詳細に説明する。ただし、この実施例に記載されてい
る構成機器の形状、その相対配置などは、とくに特定的
な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定
する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。図
１は、本発明の燃焼ガス中のＣＯ２等を分離する装置の
一実施例で、本発明の基本となる構成を示している。ボ
イラ１０は全体を圧力容器１２の中に入れ、３〜２０ｋ
ｇ／ｃｍ２　Ａの高圧下で燃料を燃焼する。このために
、燃料系は高圧で供給できるように、また、燃焼用空気
（Ｏ２でもよい）を圧縮機１４で高圧にして供給する。 燃焼したガスは、伝熱管部１６における水の加熱により
温度が下がってボイラ１０より排出される。一般にボイ
ラ１０では、硫酸腐食や伝熱面積の大きさなどを考慮し
て排ガス温度が決められるが、加圧することにより熱伝
達率が著しく向上するので、大気圧ボイラに比べて、排
ガス温度を下げても設備費の上昇が少ない。大気圧ボイ
ラでは燃料の種類にもよるが、１５０℃程度で煙突に排
出される。１８は燃焼室、２０は伝熱管、２２は燃料供
給装置、２４は空気供給装置、２６はガスタービン、２
８は冷却水を間接的に流通させる型式の冷却器、３０は
低温ガスを間接的に流通させる型式の予冷器、３２はＣ
Ｏ２セパレータ、３４は蒸気タービン、３６は発電機、
３８は復水器、４０は冷却負荷器、４２は煙突である。 また、図２に示すように、ガスタービン入口の燃焼ガス
導管に、ダストセパレータ４４を設けるのが望ましい。

【００１７】今、本発明でも、ボイラの排気ガスは１５
０℃とすると、この燃焼ガス中には、多量の水蒸気が含
まれており、ガスタービン２６で膨張させると水蒸気が
凝縮して熱を出し、排気温度が余り下がらない。よって
、まず、冷却水で４０℃位（低いほどよい）に冷やすと
、多量の水蒸気が凝縮する。高圧下で４０℃まで冷却す
ると、殆ど水蒸気は凝縮し、残りの水蒸気は０．０７５
／εｋｇ／ｃｍ２の分圧分だけとなる。つまり、１５ｋ
ｇ／ｃｍ２まで加圧した系で冷却すると、大気圧下で冷
却したときの１／１５となる。なお、εはガスタービン
２６の膨張比である。この著しく水蒸気の少なくなった
燃焼ガスを、更に予冷器３０でガスタービン２６の低温
排気により０℃以下に冷却すると、水分はほぼ完全に除
去される。水分の除去された燃焼ガスを、ガスタービン
２６で膨張させるとガス温度が下がり、沸点の高い物質
から順次凝縮する。ＮＯ２が−１０．８℃でまず凝縮し
終わり、次にＣＯ２が凝縮し、更に温度を下げるとＣＯ
２は固化（ドライアイス）し、ガスから分離できる。ま
た、ＳＯ２も−７５．５℃で凝縮する。更に温度を下げ
ると、−９０．６℃でもう１つの温暖化ガスと見られて
いるＮ２Ｏも凝縮し分離できる。このようにすれば、Ｃ
Ｏ２等を簡単に分離できる。

【００１８】図３はＣＯ２セパレータ３２の一例を示し
ている。低温燃焼ガス入口４６から接線方向に導入され
た低温燃焼ガスは、旋回している間に固体ＣＯ２（ドラ
イアイス）又は液化ＣＯ２が分離され、清浄ガスは排気
ダクト４８から排出される。下部に溜った分離ＣＯ２５
０は、ピストン５２により押し出され、ＣＯ２溜め５４
に落下する。５６は断熱材である。図４に示すように、
分離されたドライアイス又は液化ＣＯ２を圧力容器５８
に入れ、フランジ６０で密閉するか、又は破線で示すよ
うに栓をして周りを溶接した後、圧力容器５８の周りを
コンクリート６２で固めて放置する。場合によっては、
深海に投棄する。万一、圧力容器５８が破損しても、深
海の圧力のため、ＣＯ２は洩れ出さない。仮に少量ずつ
洩れ出しても、海水中に吸収されたり、液体のまま深海
に滞留する。

【００１９】以下、低温の排ガスの利用について説明す
る。燃焼ガス中のＣＯ２の含有量が多いときはＣＯ２の
凝縮潜熱が増えるので、予冷器３０を出るＣＯ２除去さ
れた排気ガスの温度は比較的高くなるが、ＣＯ２の含有
量が少ないときは、つぎの２つの選択ができる。 （１）　　圧縮比、膨張比を小さくして、ＣＯ２除去さ
れた排ガスの予冷器３０を出る温度を高めとする。この
場合は発電効率の低下分が少なくなる。 （２）　　システムとしては膨張比を大きくしておいて
、排気温度を例えば−２０℃位で予冷器３０を出るよう
にする。この場合は、この−２０℃のガスを別の用途に
利用できる。 低温排気の利用方法には次のようなものが考えられる。 （１）　　蒸気タービンの復水器３８で凝縮する水蒸気
潜熱（他の物質であってもよい）を高温側熱源とし、上
記のＣＯ２を含まない低温排気を冷却熱源とした第２の
発電ないし動力発生装置が可能である。また、この熱に
は、必要によっては、ガスタービン入口で除去した氷の
利用も可能である。

【００２０】図５はこの実施例を示している。本実施例
は、ＣＯ２セパレータからの低温排ガス（清浄燃焼ガス
）を廃熱回収発電装置６４のコンデンサ６６の低温側熱
源とし、蒸気タービン３４の排気をフロン蒸発器６８の
高温側熱源としたものである。７０、７２はコンデンサ
、７６はフロンタービン、７８は発電機である。図５は
、一例としてフロンタービン発電の場合を示しているが
、熱電発電等にも適用することができる。

【００２１】つぎに、空調への適用について説明する。 １ｋｇの石炭で約７．９ｋｇの乾燥低温ガスが得られる
。空調で１０℃まで活用できるとすれば、Ｎ２とＯ２だ
けで石炭１ｋｇから約５７ｋｃａｌ利用できる。一般に
冷房３０００ｋｃａｌ／ｈ（＝１ＵＳＲＴ）で１ｋＷの
電力を消費するので、５７ｋｃａｌ／ｈは０．０１９ｋ
Ｗに相当し、石炭１ｋｇで２．５ｋＷｈの発電量であり
、夏期は０．７６％効率アップ（０．０１９／２．５＝
０．００７６）になる。システムは複雑になるが、ＣＯ
２の蒸発熱、氷の潜熱も同様に利用できる。氷の潜熱で
は、Ｎ２、Ｏ２とほぼ同程度の熱量が得られ、ＣＯ２の
蒸発熱を使うと、Ｎ２、Ｏ２ガスの約３倍の冷房効果が
得られる。３００ＭＷの発電所では、Ｎ２、Ｏ２ガスの
みでは、 ３００，０００×０．０１９／２．５＝２２８０［ＵＳ
ＲＴ］で、氷の潜熱、ＣＯ２の蒸発熱を使用すると約５
倍となるから、１１，４００ＵＳＲＴで、地域冷暖房へ
の熱供給も可能である（事業用の発電所の１基当たりの
出力は３００〜１０００ＭＷが多い。また、地域冷暖房
の規模は５０００ＵＳＲＴ〜５００００ＵＳＲＴである
）。図６にこの実施例を示す。本実施例は、ＣＯ２セパ
レータ３２からの低温排ガスと空気とを空気予冷器８０
に導入して、空気を予冷した後、圧縮機１４に供給する
ようにしたものである。本実施例では、蒸気タービン３
４の効率が低いとき程、効果が大きい。図６において、
ガスタービン２６の入口の燃焼ガス温度Ｔ２を同じとし
た時のＴａｏ（予冷しない時の圧縮機入口空気温度）と
Ｔ’ａｏ（予冷した時の圧縮機入口空気温度）とで、全
発電出力がどのように変わるかを計算した。この結果を
図１８及び図１９に示す。これらの図から、上述のよう
に、蒸気タービンの効率ηＳＴが低いとき程、効果が大
きいことがわかる。

【００２２】つぎに、高温ガスの利用について説明する
。燃焼ガスを利用する発電（通常のボイラでは蒸気ター
ビン発電）部分の発電効率を高めることは、ＣＯ２の発
生を低減する上で有効であるが、一般に復水器の凝縮条
件、つまり冷却水の温度である程度決まってしまう。 しかし、本発明では、低温排熱があるから、高温、低温
の温度差が拡げられる。理想サイクルはカルノーサイク
ルであるが、この動力発生の場合の効率ηｃａｔ　＝（
ＴＡ　−ＴＢ　）／ＴＡ　となる。ただし、ＴＡ　は高
温側温度［Ｋ］、ＴＢ　は低温側温度［Ｋ］である。Ｔ
Ａ　＝５００＋２７３＝７７３［Ｋ］、ＴＢ　＝３５＋
２７３＝３０８［Ｋ］の場合と、ＴＡ　＝７７３［Ｋ］
、ＴＢ　＝２７３［Ｋ］の場合で比較すると、前者のη
ｃａｔ　＝４６５／７７３＝０．６０２、後者のη’ｃ
ａｔ　＝５００／７７３＝０．６４７となり、つまり、
約４．５％効率が上昇することになる。現在、蒸気を使
用するシステムにおいて、５００〜６００℃位の高温側
温度での高い効率の動力発生装置としては、蒸気タービ
ンに優るものはないが、これは蒸気が非常に大きな圧力
比を利用できるからである。しかし、水蒸気は０℃で氷
結するので、これ以下には温度が下げられないし、また
、圧力も余りにも低くなりすぎる。これらの欠点を補う
ため、低温部にはフロンタービン発電を使用するシステ
ムがとられている。上記の実施として、つぎの２つが考
えられる。まず、１番目として、０℃以下で氷結せず、
同じ温度で圧力が水蒸気よりも高い作動流体があれば、
高温の燃焼ガスを一部バイパスして、これで上記作動流
体を加熱し、発生した高温高圧のガス（蒸気）でタービ
ンを駆動し、タービンの排気を低温の燃焼ガスで冷却す
る高効率の発電システムを付加することができる。図７
はこの実施例を示している。本実施例は、ＣＯ２セパレ
ータ３２からの低温排ガスを、発電装置８２の凝縮器８
４の低温熱源とし、加圧ボイラからの燃焼ガスの一部を
発電装置８２の蒸発器８６の熱源としたものである。８
８は燃焼ガスバイパスラインである。

【００２３】同様の考え方で、図８に示すような熱電発
電を組み合わせたり、図９に示すような熱イオン発電を
組み合わせたり、図１０に示すようなスターリングエン
ジン等を組み合わせることができる。図８において、９
０は高温側金属、９２は低温側金属、９４はＰ形半導体
、９６はＮ形半導体、９８は負荷抵抗である。図９にお
いて、１００は作動媒体蒸発器、１０２は作動媒体凝縮
器、１０４は電解質、１０６は負荷抵抗である。図１０
において、１０８は作動媒体（高温）加熱器、１１０は
作動媒体冷却器、１１２は蓄熱器、１１４はシリンダ、
１１６はピストン、１１８はクロスヘッドである。 現在は蒸気タービンサイクルに優るものでないが、図７
〜図１０は、材料や新作動媒体の出現で、蒸気タービン
より効率が高くなる可能性がある。

【００２４】つぎに、２番目として、燃料電池との組み
合わせについて説明する。天然ガスを使用する燃料電池
の系統例を図１１〜図１３に示す。いずれの場合も、燃
料電池１２０へ入るガスは、ＣＯ、Ｈ２などの可燃性の
ガスを含むガスで、燃料電池内で反応しなかったこれら
のＣＯ、Ｈ２を含むガスを、改質器１２２で燃焼させて
改質に必要な熱源としている。もし、燃料電池１２０で
、ＣＯ、Ｈ２が十分反応して消費しつくされたときには
、改質器１２２の加熱には別の燃料を使用することにな
る。この燃料の代わりに、図７の燃焼ガスバイパスライ
ン８８を使うことにより高い熱効率が得られる。なぜな
らば、燃料電池の発電熱効率は、５０％以上の高い効率
が期待できるからである。溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）の
場合の上記実施例を図１４に示す。なお、低温排ガスは
図１４のように燃料電池１２０のガスタービン１２４の
中間冷却器１２６の冷却熱として使用することもできる
し、ガスタービン１２４の圧縮機１２８の入口空気の予
冷に使用しても全体の効率のアップとなる。なお、リン
酸塩形（ＰＡＦＣ）、固体電解質形（ＳＯＦＣ）の場合
も、同様に組み合わせることができる。

【００２５】図１５は、加圧流動床ボイラ１３０を組み
合わせた場合の実施例を示している。加圧流動床ボイラ
１３０においては、炉内にＣａＯ、ＣａＣＯ３、ドロマ
イト等の脱硫剤を投入して炉内脱硫している。１３２は
脱硫剤投入装置である。したがって、加圧流動床ボイラ
１３０からの燃焼ガスの温度は脱硫に適する８５０℃前
後であり、この燃焼ガスを分岐させてその一部を給水加
熱器１３４に導入して、給水を加熱し、一部を蒸発させ
る。１３６は集じん装置である。また、加圧流動床ボイ
ラ１３０からの燃焼ガスの残部を第２の発電装置１３１
の高温側熱源とし、分離した二酸化炭素の昇華、蒸発の
潜熱を冷却熱源とする場合もある。他の構成、作用は図
１の場合と同様である。

【００２６】図１６は、本発明の他の実施例を示し、図
１５に示す装置において、Ｎ２Ｏの発生を抑えるために
、ガス温度を上げるようにしたものである。Ｎ２Ｏは１
１００℃位まで温度を上げると、Ｎ２とＯ２とに分解す
る。具体的には、加圧流動床ボイラ１３０からの燃焼ガ
スに、燃料と空気又は酸素を吹き込み燃焼させて、燃焼
ガス温度を上げて、Ｎ２Ｏを分解する。１３８は燃焼器
である。

【００２７】

【発明の効果】本発明は上記のように構成されているの
で、つぎのような効果を奏する。（１）　　燃焼ガス中
のＣＯ２を、吸収液等を用いることなく分離することが
できる。このため、吸収液とＣＯ２との分離装置（吸収
液再生装置）等が不要となる。（２）　　ＣＯ２は液体
状又は固体状で分離できるので、取扱いが容易である。 （３）　　ＣＯ２分離の際に、低温排ガスが発生するの
で、この低温排ガスを発電装置等の冷熱源として有効に
利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する
方法を実施する装置の基本となる実施例を示すフローシ
ートである。

【図２】本発明の他の実施例を示し、ダストセパレータ
を設ける場合のフローシートである。

【図３】本発明において用いるＣＯ２セパレータの一例
を示す断面図である。

【図４】本発明において分離したＣＯ２の処置方法を示
す断面図である。

【図５】本発明の他の実施例を示し、低温利用の場合の
フローシートである。

【図６】本発明の他の実施例を示し、ガスタービン入口
空気の予冷の場合のフローシートである。

【図７】本発明の他の実施例を示し、高温ガスを有効に
利用する場合のフローシートである。

【図８】本発明の他の実施例を示し、熱電発電に適用し
た場合のフローシートである。

【図９】本発明の他の実施例を示し、熱イオン発電に適
用した場合のフローシートである。

【図１０】本発明の他の実施例を示し、スターリングエ
ンジンに適用した場合のフローシートである。

【図１１】従来のＰＡＦＣ発電プラントのフローシート
である。

【図１２】従来のＭＣＦＣ発電プラントのフローシート
である。

【図１３】従来のＳＯＦＣ発電プラントのフローシート
である。

【図１４】本発明の他の実施例を示し、高温ガスを燃料
電池に利用する場合のフローシートである。

【図１５】本発明の他の実施例を示し、流動床ボイラと
組み合わせた場合のフローシートである。

【図１６】本発明のさらに他の実施例を示し、流動床ボ
イラと組み合わせ、かつ、燃焼ガス温度を上げてＮ２Ｏ
を分解する場合のフローシートである。

【図１７】膨張比ε＝１５、２０の場合におけるガスタ
ービン入口温度とガスタービン出口温度との関係を示す
グラフである。

【図１８】膨張比ε＝１０、１５、２０、蒸気タービン
の効率ηＳＴ＝０．４６の場合における冷却度と全体の
発電効率の向上（％）との関係を示すグラフである。

【図１９】膨張比ε＝１０、１５、２０、蒸気タービン
の効率ηＳＴ＝０．５０の場合における冷却度と全体の
発電効率の向上（％）との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０　　　　ボイラ １２　　　　圧力容器 １４　　　　圧縮機 １６　　　　伝熱管部 １８　　　　燃焼室 ２０　　　　伝熱管 ２２　　　　燃料供給装置 ２４　　　　空気供給装置 ２８　　　　冷却器 ３０　　　　予冷器 ３２　　　　ＣＯ２セパレータ ３４　　　　蒸気タービン ３８　　　　復水器 ４０　　　　冷却負荷器 ４４　　　　ダストセパレータ ５２　　　　ピストン ５８　　　　圧力容器 ６２　　　　コンクリート ６６　　　　コンデンサ ６８　　　　フロン蒸発器 ８０　　　　空気予冷器 ８２　　　　発電装置 ８４　　　　凝縮器 ８６　　　　蒸発器 ８８　　　　燃焼ガスバイパスライン １２０　　燃料電池 １２２　　改質器 １２４　　ガスタービン １２６　　中間冷却器 １２８　　圧縮機 １３０　　加圧流動床ボイラ １３１　　第２の発電装置 １３２　　脱硫剤投入装置 １３４　　給水加熱器 １３８　　燃焼器

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ボイラ、炉等の燃焼系を圧力容器（１
   ２）内に収納し加圧状態で燃料を燃焼させる加圧燃焼方
   法において、燃焼系からの燃焼ガスを低温流体と熱交換
   させて温度を下げ、ついで、この燃焼ガスをガスタービ
   ン（２６）に導入し膨張させて二酸化炭素の液化温度以
   下にして、二酸化炭素と、水、硫黄酸化物、窒素酸化物
   、一酸化二窒素からなる群より選ばれた物質とを液化又
   は／及び固化させた後、燃焼ガスから分離することを特
   徴とする燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する方法。
2. 【請求項２】　　ボイラを圧力容器（１２）内に収納し
   加圧状態で燃料を燃焼させ、ボイラで発生するスチーム
   を蒸気タービン（３４）に導入して発電する方法におい
   てボイラからの燃焼ガスをガスタービン（２６）に導入
   し膨張させて二酸化炭素の液化温度以下にして、二酸化
   炭素と、水、硫黄酸化物、窒素酸化物、一酸化二窒素か
   らなる群より選ばれた物質とを凝縮又は／及び固化させ
   た後、燃焼ガスから分離し、この清浄燃焼ガスを廃熱回
   収発電装置の低温側熱源とし、蒸気タービン（３４）の
   排気を廃熱回収発電装置の高温側熱源とすることを特徴
   とする燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する方法。
3. 【請求項３】　　ボイラを圧力容器（１２）内に収納し
   加圧状態で燃料を燃焼させ、ボイラで発生するスチーム
   を蒸気タービン（３４）に導入して発電する方法におい
   てボイラからの燃焼ガスをガスタービン（２６）に導入
   し膨張させて二酸化炭素の液化温度以下にして、二酸化
   炭素と、水、硫黄酸化物、窒素酸化物、一酸化二窒素か
   らなる群より選ばれた物質とを凝縮又は／及び固化させ
   た後、燃焼ガスから分離し、この清浄燃焼ガスを圧縮機
   （１４）入口空気の予冷用熱源とすることを特徴とする
   燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する方法。
4. 【請求項４】　　ボイラ、炉等の燃焼系を圧力容器（１
   ２）内に収納し加圧状態で燃料を燃焼させる加圧燃焼方
   法において、燃焼系からの燃焼ガスをガスタービン（２
   ６）に導入し膨張させて二酸化炭素の液化温度以下にし
   て、二酸化炭素と、水、硫黄酸化物、窒素酸化物、一酸
   化二窒素からなる群より選ばれた物質とを凝縮又は／及
   び固化させた後、燃焼ガスから分離し、この清浄燃焼ガ
   スを発電装置又は動力発生装置の低温側熱源とし、燃焼
   系からの燃焼ガスの一部を発電装置又は動力発生装置の
   高温側熱源とすることを特徴とする燃焼ガス中の二酸化
   炭素等を分離する方法。
5. 【請求項５】　　ボイラ、炉等の燃焼系を圧力容器（１
   ２）内に収納し加圧状態で燃料を燃焼させる加圧燃焼方
   法において、燃焼系からの燃焼ガスをガスタービン（２
   ６）に導入し膨張させて二酸化炭素の液化温度以下にし
   て、二酸化炭素と、水、硫黄酸化物、窒素酸化物、一酸
   化二窒素からなる群より選ばれた物質とを凝縮又は／及
   び固化させた後、燃焼ガスから分離し、この清浄燃焼ガ
   スを燃料電池発電装置のガスタービンの中間冷却器（１
   ２６）の冷却用熱源、又はガスタービンの圧縮機入口空
   気の予冷用熱源とし、燃焼系からの燃焼ガスの一部を燃
   料電池発電装置の改質器（１２２）の熱源とすることを
   特徴とする燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する方法。
6. 【請求項６】　　加圧流動床ボイラ（１３０）の炉内に
   脱硫剤を投入して炉内脱硫を行なう方法において、加圧
   流動床ボイラ（１３０）からの燃焼ガスの一部をガスタ
   ービン（２６）に導入し膨張させて二酸化炭素の液化温
   度以下にして、二酸化炭素と、水、硫黄酸化物、窒素酸
   化物、一酸化二窒素からなる群より選ばれた物質とを凝
   縮又は／及び固化させた後、燃焼ガスから分離し、加圧
   流動床ボイラ（１３０）からの燃焼ガスの残部を第２の
   発電装置（１３１）の高温側熱源とし、分離した二酸化
   炭素の昇華、蒸発の潜熱を冷却熱源とすることを特徴と
   する燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する方法。
7. 【請求項７】　　加圧流動床ボイラ（１３０）からの燃
   焼ガスに燃料と空気又は酸素とを吹き込み、燃焼ガス温
   度を上げて一酸化二窒素を分解することを特徴とする請
   求項６記載の燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する方法
   。
8. 【請求項８】　　ガスタービン入口の燃焼ガスを冷却水
   により間接的に冷却することを特徴とする請求項１、２
   、３、４、５、６又は７記載の燃焼ガス中の二酸化炭素
   等を分離する方法。
9. 【請求項９】　　ガスタービン入口の燃焼ガスを、ガス
   タービンの低温排気から二酸化炭素等を分離したガスに
   より間接的に冷却することを特徴とする請求項１、２、
   ３、４、５、６、７又は８記載の燃焼ガス中の二酸化炭
   素等を分離する方法。
10. 【請求項１０】　　燃焼ガスがガスタービンに導入され
    る前に、燃焼ガス中のダストを分離することを特徴とす
    る請求項１、２、３、４、５、６、７、８又は９記載の
    燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する方法。
11. 【請求項１１】　　圧力容器（１２）内に収納された燃
    焼室（１８）と、燃焼室に炭素系燃料を加圧して供給す
    る燃料供給装置（２２）と、燃料燃焼用の空気又は酸素
    を加圧して供給する空気供給装置（２４）と、燃焼室内
    に配置された伝熱管（２０）と、燃焼室からの燃焼ガス
    により駆動されるガスタービン（２６）とからなる加圧
    燃焼装置において、燃焼室（１８）の燃焼ガスダクトに
    伝熱管部（１６）を設けるとともに、この伝熱管部（１
    ６）を圧力容器（１２）内に収納し、ガスタービン（２
    ６）の排気導管に、液化又は固化した二酸化炭素等を分
    離するためのＣＯ２セパレータ（３２）を接続したこと
    を特徴とする燃焼ガス中の二酸化炭素等を分離する装置
    。
12. 【請求項１２】　　ガスタービン（２６）入口の燃焼ガ
    ス導管に、冷却水を間接的に流通させる冷却器（２８）
    を接続したことを特徴とする請求項１１記載の燃焼ガス
    中の二酸化炭素等を分離する装置。
13. 【請求項１３】　　ガスタービン（２６）入口の燃焼ガ
    ス導管に、ＣＯ２セパレータ（３２）を出た低温ガスを
    間接的に流通させる予冷器（３０）を接続したことを特
    徴とする請求項１１又は１２記載の燃焼ガス中の二酸化
    炭素等を分離する装置。
14. 【請求項１４】　　ガスタービン（２６）入口の燃焼ガ
    ス導管に、ダストセパレータ（４４）を接続したことを
    特徴とする請求項１１、１２又は１３記載の燃焼ガス中
    の二酸化炭素等を分離する装置。