JPH06511060A - 組み合わせられたガス・蒸気式動力設備においてエネルギを環境適合式に発生させる方法及びこの方法を実施する設備 - 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】 組み合わせられたガス・蒸気式動力設備においてエネルギを環境適合式に発生さ せる方法及びこの方法を実施する設備 本発明は、組み合わせられたガス・蒸気式動力設備においてエネルギを環境適合 式に発生させる方法であって、高圧縮された高温の作業媒体をガスタービンにお いてかつ高圧縮された過熱された蒸気を蒸気タービンにおいて、作業出力を出し ながら膨張させることによってエネルギを発生させ、この場合にガスタービンの 膨張した作業媒体の残留熱を、水蒸気を発生させるために利用する形式の方法、 及びこの方法を実施する設備に関する。

ガス・蒸気タービンを使用してエネルギを組み合わせて発生させるための公知の 方法では、通常、ガスタービンのオイル又はガス燃焼式の燃焼室において生じる 圧縮された作業ガスは、１０００°Ｃを越えるような温度でガスタービンにおい てまず初めに作業出力を出しながら膨張させられ、次いで廃熱ボイラにおいて高 圧縮された蒸気を発生させながらさらに冷却される。冷却された煙道ガスは、煙 突を介して大気中に排出される。生ぜしめられた蒸気は、蒸気タービンにおいて 膨張させられる。

この公知の方法では、蒸気温度ひいては蒸気タービンの作業能力は、部分的に比 較的低いガスタービンの排ガス温度によって制限されて、不都合にしか得られな い。

そしてガスタービンの排ガスは、高い窒素酸化物濃度を有している。それという のは燃焼室における燃焼は、高い温度においてかつかなりの空気過剰つまり酸素 過剰状態において行われるからである。酸素過剰状態は、ガスタービンのために 必要とされる質量流を用意するためには、本来の燃焼空気量を大きく上回る空気 Ｉが必要になるからである。

ゆえに本発明の課題は、組み合わせられたガス・蒸気タービンプロセスにおいて エネルギを発生させるための冒頭に述べた形式の方法を改良して、より高い出力 を得ることができ、ひいては固有のＣＯ２エミッションを減じることができ、し かも窒素酸化物エミッションを減じることができるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の方法では、水蒸気をその膨張の前に、流動床 型燃焼装置の燃焼室に配置された熱交換器において、付加的に加熱するようにし た。

本発明のように水蒸気をその膨張前に付加的に加熱することに基づいて、タービ ンの出力を著しく高められる。例えば、高圧縮された５００°Ｃの水蒸気を６０ ０°Ｃに温度上昇させることによって、タービン出力は５％よりも多く高められ る。この場合、水蒸気の温度上昇を流動床型燃焼装置において行うと、特に有利 であることが判明している。それというのはこのような燃焼装置は、渦流を生ぜ しめるベッド材料からベッドに浸漬された熱交換器面への特に良好な熱伝達によ って、傑出しているからである。しかも、特に極めて均一にベッド横断面にわた って分布する比較的低温の温度に基づいて、高圧蒸気によって貫流される熱交換 器管に関する材料の問題が生じることもない。そして低いベッド温度に基づいて 、流動床型燃焼装置においては熱的な窒素酸化物が形成されることはあまりない 。

本発明によれば、流動床型燃焼装置はオイル又はガスや固形の燃料によって運転 することが可能であり、この場合オイル燃焼装置もしくはガス燃焼装置では、例 えば石英砂のような適当な異物材料を、ベッド材料として設けることができ、こ れに対して石炭を用いた燃焼装置では、灰それ自体をベッド材料として使用する ことができる。

ガスタービンの燃焼室における窒素酸化物の形成を著しく減じるために、本発明 の別の特徴では、ガスタービンの、作業出力を出しながら膨張しかつ冷却される 作業媒体の一部、つまり酸素の少ないガスタービン排ガスの一部を、圧縮される 新鮮空気に加えて混合し、この新鮮空気と一緒にガスタービンの燃焼室に戻すよ うにした。このようにすることによって、新鮮空気の一部、つまり先行技術にお ける方法では主としてガスタービンのための質量流としてしか存在していなかっ た、新鮮空気の一部の代わりに、ガスタービンの酸素の少ない排ガスが使用され 、この結果燃焼室における燃焼を著しく少ない酸素過剰状態において行うことが 可能になる。そしてこのことによって、ガスタービンの燃焼室においてはもはや 熱的な窒素酸化物が発生することはなくなる。

本発明の別の有利な方法では、ガスタービンの排ガスの戻されない残留ガス、つ まりなおほぼ８０°Ｃの温度を有する残留ガスを、流動床型燃焼装置の煙道ガス と混合し、この煙道ガスと一緒に適当な煙突を介して大気中に排出するようにし た。

流動床型燃焼装置が石炭によって運転される場合には、例えば湿式トラフや電子 フィルタのような酸化硫黄を減じるため及び塵埃を除去するための付加的な装置 が必要になる。この場合、クリーニングされた煙道ガスは硫黄除去設備をほぼ４ ０°Ｃの温度において完全に飽和状態にすることができる。本発明のようにこの ような煙道ガスをガスタービンの排ガスと混合することによって、温度を高める ことができ、それと同時に、冷却塔を介して行われる大気中への導出時における テルミクを相応に改善することが可能である。

本発明のように、ガスタービンを廃熱ボイラ及び流動床型燃焼装置と結び付ける ことは、はぼ５０〜３００ＭＷの出力をもつ小型もしくは中型の発電所設備にお いて特に有利であることが判明している。

高い出力需要においては、本発明は独自加熱式の蒸気発生装置に一体に組み込ま れ、この場合には、流動床型燃焼装置の煙道ガスは、直接別の蒸気発生装置の燃 焼室に導入される。これによって流動床型燃焼装置の煙道ガスの残留熱を、別の 蒸気発生装置において直接評価することが可能になる。そしてさらに、流動床型 燃焼装置の煙道ガスをクリーニングするための別体の手段が省略される。また、 流動床型燃焼装置の煙道ガスにおける窒素酸化物濃度が小さくなることに基づい て、別の蒸気発生装置の全煙道ガス流における窒素酸化物の含有に対して好都合 な影響を与えることができる。このことは特に次のような場合、すなわち、ガス タービンにおけると同様に、クリーニングされた煙道ガス流の一部を新鮮空気の 代わりに流動床型燃焼装置に戻し、これによって流動床においてほぼ化学量論的 な燃焼が達成されるような場合に、言えることであり、これによって、熱的な窒 素酸化物の形成はほぼ０になる。そして−酸化炭素の形成を高める不完全燃焼は 、この場合不都合なものではなくなる。それというのは、煙道ガスは別の蒸気発 生装置の燃焼室に導入され、そこでさらに燃焼させられるからである。

本発明の別の特徴によれば、別の蒸気発生装置において得られた過熱された高圧 蒸気をその膨張前に、適当な混同集合装置において、流動床型燃焼装置からの極 めて高温の水蒸気と混合させ、そして両方の蒸気流を等しい蒸気タービンに供給 することによって、別の蒸気発生装置において得られた過熱された高圧蒸気の温 度ひいてはその作業能力を高めることが可能である本発明による方法を実施する ための組み合わせられたガス・蒸気式動力設備では、ガスタービンと、該ガスタ ービンに後置されている蒸気発生のための廃熱ボイラと、蒸気タービンとを備え ている形式のガス・蒸気式動力設備において、流動床型燃焼装置が設けられてい て、該流動床型燃焼装置の燃焼室内に熱交換器が配置されており、該熱交換器の 低温端部が、廃熱ボイラの蒸気出口と結合されていて、かつ熱交換器の高温端部 が、蒸気タービンの蒸気人口と結合されている。

特に、５００ＭＷを上回るような出力をもつ大型の発電所では又は既存の発電所 に付加的に設ける場合には、流動床型燃焼装置から蒸気タービンへの蒸気導管に 、混合集合装置が一体に組み込まれており、該混合集合装置が、付加的に、別の 蒸気発生装置の水・蒸気回路の高温の端部と連通されており、煙道ガスのための 接続導管が、流動床型燃焼装置と、別の蒸気発生装置の燃焼室との間に設けられ ていると、有利である。

本発明によるすべての特徴が実現されると、しだがって、４５％を上回る環境適 合式の大型発電所を得ることができる。

最適な設計では、つまり、所望の全熱出力が、ガスタービンの燃焼室、流動床型 設備及び別の蒸気発生装置における種々異なった燃焼装置に最適に分配されてい る場合には、燃焼室及び流動床における窒素酸化物の形成がわずかであることに 基づいて、大気中に排出される全煙道ガス流中における窒素酸化物含有量も比較 的小さなものになり、この結果、所望の限界値に応じて、煙道ガスの窒素を補足 的に除去するための手段は、相応に減じられるかもしくはまったく必要ではな（ なる。そしてもちろん、高い効率に基づいて、ＣＯ２の形成もまた相応に減じら れる。

本発明はもちろん、既存の古い発電所に後から設けることも可能である。そして 設備費用及びランニングコスト（例えば高い固有エネルギ需要）に基づいて比較 的高価である窒素除去設備を設ける代わりに、次のような処置、すなわち、ガス タービン及び流動床型燃焼装置を前置させて、既存の蒸気発生装置と相応に連結 させ、該蒸気発生装置の熱出力の一部を前置された燃焼装置にずらすような処置 を、実現することが可能である。少なくとも大型の装置において本発明による構 成のためにかかる整備費用を、後から補足的に設けられる窒素除去手段のために かかる費用と比較すると、少なくとも、効率上昇によって得られたエネルギは、 実質的にコストをかけることなく、利用できるということが判明している。

古い発電所に後から設けることを考えた場合においても、しかしながらまた新し い発電所を構成する場合においても、本発明は、乾式灰除去型の石炭灰式燃焼装 置においても湿式灰引出し型の燃焼装置においても、同じ利点をもって使用する ことができる。

次に図示の実施例を参照しながら本発明を詳説する第１図は、小さな出力から中 位の出力の範囲における、組み合わせられた蒸気式動力設備の１実施例を示す回 路図である。

第２図は、既に設けられている石炭発電所に後から取り付けた場合におけるｌ実 施例を示す回路図である第１図に示されているように、ガスタービン回路のため の新鮮空気は設備の導管１を介して供給され、コンプレッサ２においてほぼ２〜 ６０バールに圧縮され、そして燃焼空気としてガス又はオイル燃焼式の燃焼室３ に導入される。燃焼室３において発生する高温の作業ガスは、発電機５及びコン プレッサ２と共に１つの軸に配置されているガスタービンにおいて、はぼ１バー ルに膨張させられる。ガスタービン４の入口温度はほぼ、はぼ８００〜１３００ ″Ｃであり、かつ出口温度はほぼ４００〜６００８Ｃである。

４００〜６００°Ｃにおいて発生するガスタービン４の排ガスの残留熱は、蒸気 タービンプロセス用の蒸気を発生させるための廃熱ボイラ６において使用される 。廃熱ボイラ６においてほぼ３００〜５００°Ｃの温度において発生する高圧縮 された（はぼ２００〜３００バール）水蒸気は、本発明によればいまや、燃料供 給部９を備えた流動床型燃焼装置８の流動床に配置されている熱交換器７におい て、はぼ５４０〜６００″Ｃの温度にさらに加熱され、次いで、発電機１０と接 続されている蒸気タービン１１において膨張させられる。使用済みの蒸気は復水 器１２において液化され、供給水ポンプ１３において新たに圧力を高められ、導 管２３を介して回路における廃熱ボイラ６に戻される。

流動床型燃焼装置８において水蒸気をさらに過熱することによって、蒸気タービ ン１１の出力を著しく高めることができる、ということが分かっている。

図示の実施例において石炭燃焼式の流動床型燃焼装置８の煙道ガスは、熱交換器 １４において新鮮空気に抗して流れて冷却され、電子フィルタ１５において除塵 され装置１６において浮遊物を除去され、その後で導管１７を介して吸い出され る。サクションブロア２４は、圧力損失を補償するために働く。

流動床型燃焼装置８のために必要な新鮮空気は、導管１８とサクションブロア１ ９と圧力上昇ブロア２５とを介して供給される。

本発明による方法では、ガスタービンの排ガスの部分流が導管２０を介して連続 的に新鮮空気と混合されて、この新鮮空気と一緒に燃焼室３に戻される場合に、 流動床型燃焼装置８における過熱によって得られる出力上昇のみならず、窒素酸 化物の形成を著しく減じることが可能である。この場合戻される排ガス部分流の 量は、ガスタービン４の最適な出力のために必要な質量流に基づいて測定され、 全排ガス量の５０％にまで達することができる。最適な設計では、燃焼室３にお ける燃焼のために必要なＩの新鮮空気だけがさらに供給され、質量流としてガス タービン４のために必要な付加量が、酸素の少ない戻される排ガスによって補充 される。このようにして、燃焼室３における燃焼を、著しくわずかな酸素過剰で 又は最適な設計ではまったく酸素過剰なしに、行うことが可能となり、この結果 、熱的な窒素酸化物の形成はほぼ０になる。

同様な理由に基づいてまた、流動床型燃焼装置８の煙道ガスの一部は、導管２１ を介して燃焼装置に戻されることが可能であり、この場合流動床型燃焼装置８は 、公知のように窒素酸化物の形成かわずがであることによって傑出している。

ガスタービン排ガスの、燃焼室３に戻されずかつほとんど窒素酸化物を含まない 残留流は、導管２２を介して引き出され、導管１７を介して流れる煙道ガス流と 混合され、ここには図示されていない煙突又は冷却塔を介して大気中に放出され る。窒素除去のための付加的な手段は、所望の限界値を得るためにはこの場合通 常不必要である。

次に第２図に示されている実施例について本発明をもう一度、窒素酸化物の少な い煙道ガス放出を目的として既存の石炭発電所に設けられた例において説明する 。この場合、発電所ボイラに後置された汎用の窒素除去装置、例えば触媒によっ て促進される、反応パートナとしてアンモニアを用いる窒素除去装置の代わりに 、本発明による提案が使用される。第２図においては、第１図におけると同じ装 置部分には、第１図と同じ符号が付けられている。

本発明を用いるのに適した発電設備は、蒸気発生装置３０から成っており、この 蒸気発生装置３０は、乾式灰除去型の燃焼室３１と、燃料供給部３２と、水・蒸 気回路における高圧蒸気を生せしめるための加熱面３３．３４とを備えており、 水・蒸気回路は、加熱面３３．３４の他に、別の主構成成分として、発電機３６ を備えた蒸気タービン３５と、蒸気復水器３７と供給水ポンプ３８とを有してい る。蒸気発生装置３０の煙道ガスは、次々と空気予加熱装置３９と電子フィルタ ４０とサクションブロア４１と硫黄除去設備４２とを通過し、その後で導管４３ を介して図示されていない煙突又は同様に図示されていない冷却塔に供給され、 これによって大気中に排出される。

必要な新鮮空気は、新鮮空気ブロア４４を介して吸い込まれ、熱交換器４５．３ ９において予加熱され、次いで燃焼室３１に供給される。

窒素酸化物を減じるためにしかしながらまた同時に全体の効率を高めるために、 次のことが、すなわち、既存の発電所を第１図に示された発電設備と連結して、 蒸気発生装置３０の、通常高い窒素酸化物形成と結合された燃焼出力の一部の代 わりに、ガスタービン回路の燃焼室３０及び流動床型設備８における窒素酸化物 の少ない付加的な燃焼装置を用いることが、提案される。

この場合連結は特に次のことによって行われる。すなわち、流動床型設備８の、 窒素酸化物の少ないなお高温の煙道ガスが、蒸気発生装置３０の燃焼室３１に直 接導入され、これによって一方では煙道ガスの残留熱を直接、蒸気発生装置３０ の水・蒸気回路３３，３４に放出することができ、かつ他方では、煙道ガス冷却 及び煙道ガスクリーニングのために設けられている装置を、流動床型燃焼装置８ の煙道ガスの処理のためにも利用することができる。

蒸気発生装置３０の高圧蒸気は、本発明によれば蒸気タービン３５におけるその 膨張の前に、流動床型設備８からの強く過熱された水蒸気と、混合集合装置４６ において混合される。この際に調節される混合温度は、蒸気発生装置３０におい て得られる最高温度の上に位置しており、この結果蒸気タービン３５のためには 、高い入口温度が相応な出力上昇をもって生ぜしめられる。

本発明の別の特徴によれば、導管２２を介して流れるガスタービン４の排ガス流 、つまりなお８０°Ｃの温度を有している排ガス流は、導管４２において煙道ガ スと混合される。この場合煙道ガスは多くの発電所では湿式硫黄除去されており 、したがってなおほぼ４００Ｃの温度において水蒸気飽和状態である。このよう に排ガス流と煙道ガスとを混合することによつて、全煙道ガス流の温度上昇が改 善され、ひいては冷却塔を介して大気中に排出するための熱的な条件が相応に改 善される。

発電所の全煙道ガス流が、上に述べた３つの燃焼装置の煙道ガス部分流、つまり 燃焼室３と流動床型燃焼装置８と蒸気発生装置３０の燃焼装置３１の煙道ガス部 分流から成っており、しかもこの場合燃焼室３と流動床型燃焼装置８とからの煙 道ガス流が、提案された処置によってほぼ窒素酸化物を含んでいないことに基づ いて、相応な最適化において、特に乾式灰除去型の古い設備では、通常、その都 度型まれている限界値を十分に下回るような窒素酸化物の濃縮を行うことが可能 である。さらにま７こ、ガスタービン回路の結合と、混合集合装置４６における 水蒸気の付加的な過熱とによって、４５％を上回るような値で発電所の効率を改 善することが可能であり、しかもこの場合、ＣＯ２エミッションをも相応に減じ ることが可能である。

フロントページの続き （７２）発明者　ブライフ、フリードリッヒドイツ連邦共和国　Ｄ−６６０７ク ヴイールシート　アカーツィエンヴエーク　２３（７２）発明者　シュタデイー 、ロタールドイツ連邦共和国　Ｄ−８５５２ヘーヒシュタット　ゲルリッツァー 　シュトラーセ（７２）発明者　ペッツエル、ハンスーカールドイツ連邦共和国 　Ｄ−６９４０ヴアインハイム　イム　ランゲヴアン　２６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．組み合わせられたガス・蒸気式動力設備においてエネルギを環境適合式に発 生させる方法であって、高圧縮された高温の作業媒体をガスタービンにおいてか つ高圧縮された過熱された蒸気を蒸気タービンにおいて、作業出力を出しながら 膨張させることによってエネルギを発生させ、この場合にガスタービンの膨張し た作業媒体の残留熱を、水蒸気を発生させるために利用する形式の方法において 、水蒸気をその膨張の前に、流動床型燃焼装置の燃焼室に配置された熱交換器に おいて、付加的に加熱することを特徴とする、組み合わせられたガス・蒸気式動 力設備においてエネルギを環境適合式に発生させる方法。 ２．ガスタービンの、作業出力を出しながら膨張しかつ冷却される作業媒体の一 部を、ガスタービンの圧縮される新鮮空気に混合する、請求項１記載の方法。 ３．流動床型燃焼装置の煙道ガスを、別の蒸気発生装置の燃焼室に導入する、請 求項１又は２記載の方法。 ４．別の蒸気発生装置において生ぜしめられた水蒸気を、流動床型燃焼装置にお いて過熱された水蒸気と混合する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方 法。 ５．流動床型燃焼装置又は別の蒸気発生装置のクリーニングされた煙道ガスの一 部を、流動床型燃焼装置に戻す、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法 。 ６．作業出力を出しながら膨張したガスタービンの作業媒体の、戻されない残量 を、流動床型燃焼装置もしくは付加的な蒸気発生装置の、冷却されかつクリーニ ングされた煙道ガスに混合する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法 。 ７．請求項１に記載の方法を実施する、組み合わせられたガス・蒸気式動力設備 であって、ガスタービンと、該ガスタービンに後置されている蒸気発生のための 廃熱ボイラと、蒸気タービンとを備えている形式のものにおいて、流動床型燃焼 装置（８）が設けられていて、該流動床型燃焼装置（８）の燃焼室内に熱交換器 （７）が配置されており、該熱交換器（７）の低温端部が、廃熱ボイラ（６）の 蒸気出口と結合されていて、かつ熱交換器（７）の高温端部が、蒸気タービン（ １１）の蒸気入口と結合されていることを特徴とする、組み合わせられたガス・ 蒸気式動力設備。 ８．流動床型燃焼装置から蒸気タービンヘの蒸気導管に、混合集合装置（４６） が一体に組み込まれており、該混合集合装置（４６）が、付加的に、別の蒸気発 生装置（３０）の水・蒸気回路の高温の端部と連通されており、煙道ガスのため の接続導管が、流動床型燃焼装置（８）と、別の無気発生装置（３０）の燃焼室 （３１）との間に設けられている、請求項７記載の組み合わせられたガス・蒸気 式動力設備。 ９．別の蒸気発生装置（３０）が、既存の石炭発電所の蒸気発生装置である、請 求項８記載の組み合わせられたガス・蒸気式動力設備。