【発明の詳細な説明】
動力装置における廃熱エネルギーの活用方法
本発明は、発電所のような動力装置(power plant)における廃熱エネルギーの
活用方法に関し、更に詳細には、発電所のような動力装置における廃熱エネルギ
ーの活用方法にして、ガスタービン運転工程からの温暖媒体Ａ，及び返送媒体Ｂ
により、本発明による方法の臨界圧より高い圧力を有する媒体Ｂを、並列する熱
交換器内で加熱し、続いて、媒体Ｂを合流させ、熱交換器で返送媒体Ｂにより更
に加熱し、この媒体Ｂをタービン又は燃焼室を経た媒体Ａによりボイラー内で更
に加熱し、タービン内で膨張させて臨界圧より低い圧力にし、上記の熱交換器の
工程に返送し、そして該媒体Ｂをコンデンサー内で液体に凝縮し、次いでポンプ
で臨界超過圧まで加圧することを包含する方法において、媒体Ｂを、並列する熱
交換器内で臨界超過温度まで、又は媒体Ｂがすでに臨界超過温度を有している場
合には更に高い温度まで、加熱し、それにより、エンタルピーの差（エネルギー
バランスにおけるエネルギーギャップ）が、廃熱エネルギーにより同等にされる
（補償される）ことから、或る温度差に相当するエンタルピーの差が、タービン
に続く場所における圧力下でのエンタルピーの差より大きくなることを特徴とす
る方法に関する。
従来、熱発電所では、化石燃料や原子力によって、より近代的な発電所では太
陽電池や地熱エネルギーによって発電し
ている。発電所において用いられる基本的な方法は、ガスタービン法、水蒸気発
電法、又はそれらを組み合わせたものである。原子力発電の問題点として、放射
性廃棄物や高価な初期投資費用が挙げられる。化石燃料を用いる発電の問題点と
して、大気中への排気により起こる酸性雨や温室効果が挙げられる。更に、上記
の発電所は両方とも、事故による危険性、再生不可能な天然資源の消費といった
問題点を有する。全ての熱発電所は、これに加え、低温エネルギーを発電に活用
できないため、比較的に効率が低いという問題も有する。本発明による発電所で
は、上記の欠点が改善され、非常に効率よく発電でき、下記の多くの利点を有す
る。例えば、燃料消費が少ないこと、事故の危険が低いこと、廃棄物の少ないこ
と、大気中への排気の少ないことが挙げられる。これに加え、本発明による装置
は、旧型発電所において廃熱エネルギーを活用して作動するように建造すること
が容易であるので、旧型発電所の建て替えが容易である。水蒸気発電法における
廃熱エネルギーは、タッピング(tappings)の数を増やすことで活用することがで
きる。この際、必要に応じて、コンデンサーを通過する流量を初期状態（ゼロ）
に戻すことができる。燃焼により生成される水蒸気の凝縮温度は、天然ガスの純
度が高いので、図８による発電所では最も効果的に活用できるため、本発明は、
天然ガスを用いる場合に特に適している。
液化されて臨界超過圧まで圧縮した媒体Ｂを加熱するため
には、主に低温領域において、低圧力の返送媒体Ｂが放出する量より多くのエネ
ルギーが必要である、という事実に本発明は基づいている。臨界温度に近いガス
はこのような特徴を有する。従って、従来の熱発電所の廃熱エネルギーは、並列
する熱交換器によって非常に効率良く活用することができる。
本発明がＯＲＣ法（例えば、ＵＳ Ａ ３ ７６９ ７８９）と異なる点は、媒体
Ｂが、熱交換器（２、３）を通過した後、臨界超過温度になるため、大量のエネ
ルギーを必要とする蒸発に相当するエンタルピー増加が、ポンプ（１）の後に位
置する並列する熱交換器において主に達成されるということである。従って、外
部のエネルギーを本発明の方法によって活用することができる。これは、熱交換
器（２、３）がボイラーに接合していないことを意味する。ＯＲＣ法では、液体
の予熱がこの段階に相当する。本発明を、ガスタービン法と水蒸気発電法と比較
してみる。この際、理想的な熱交換器を備える閉鎖型ガスタービン法、及び簡単
な水蒸気発電法を比較の対象とする。これら２つの方法の違いを以下に述べる。
ガスタービン法でのタービンからの動力は、系に導入された熱エネルギーの量と
同等である。しかし、エネルギーの大部分は、圧縮器による媒体の加圧に用いら
れる。一方、水蒸気発電法では、蒸発によって大量のエネルギーが消費されるた
め、熱エネルギーは、タービン内では一部しか活用することができない。しかし
、加圧に必要なエネルギーの量は少ない。従
って、タービンの羽根が冷却される必要を考慮に入れた場合、タービンの効率に
関しては、水蒸気発電法はガスタービン法に相当している。しかし、媒体の加圧
の一部をポンプによって行うことができるため、加圧に必要なエネルギーの量は
ガスタービン法に比べてかなり低い。上記のことは、特に図４（又は図８）によ
る構造についてあてはまる。
本発明の方法に非常に適した媒体である二酸化炭素は、環境に無害であり、入
手も容易である。必要な最高圧力を得るには、現在、水蒸気発電法においてそれ
に相当する圧力が既に用いられているため、技術的に高度なものを必要としない
。媒体Ｂに適当なものを選ぶことによって、高い発電量を維持した状態で、コン
デンサーの廃熱を例えば地域暖房に活用することができる。本発明は更に、例え
ばダブルサブスタンス法（double substance process）等の従来法に比べ低温エ
ネルギーをうまく活用することができるため、固形燃料の脱気に適している。圧
縮器の冷却中に生じた廃熱も、本発明の方法により効率よく活用することができ
る。本発明は、２つの異なる熱源を用いる発電所にも適している。本発明の方法
には圧縮器を省略できるという利点もある。更に、経済的に有利な発電所の大き
さは、広範囲にわたる。媒体Ｂの圧力が比較的高いために、発電所が小規模でも
よい、ということも重要である。
閉鎖二酸化炭素サイクル内で、酸素によって可燃物を燃焼
させる場合、多くの利点がある。燃焼中に窒素酸化物を生成せず、又、生成した
二酸化炭素を実際に分離することができ、温室効果を軽減できる。空気中の窒素
とアルゴンを同時に分離することができ、所望によっては、液体酸素を分離する
こともできる。従来法（必要に応じて、本発明による装置によって、熱力自体を
、発電に利用することができる）よりもかなり大量の（高温の）熱力が、最大発
電において得られ、その際のエネルギーの損失も、従来法に比べ少ない。他の長
所としては、水処理、水蒸気タービン（及びそれに関連する発生器）、及び煙突
を必要としないことが挙げられる。
将来的には、本発明の操作時間は長くなるであろう。これは、核融合により生
じる熱を図４による発電所にうまく用いると、空気を予熱する必要がなくなるか
らである。将来的には、更に太陽やバイオマスといった補充可能な資源も、本発
明の方法による熱源として適するであろう。本発明の主な目的は、発電所のよう
な動力装置における廃熱エネルギーを従来の方法より効率良く活用する新規な方
法、同時に、燃焼中に生成する二酸化炭素の経済的な分離を可能にする方法を提
供することにある。この目的を達成するために、本発明の方法は請求項１に記載
された特徴を有する。
下記は、図の詳細な説明である。
図１は（ガスタービン法を廃熱エネルギー源とする）本発明による発電所のフ
ローチャートであり、
図２は、（水蒸気発電法を廃熱エネルギー源とする）本発明による発電所のフ
ローチャートであり、
図３は天然ガスの加圧に用いられる本発明による動力装置のフローチャートで
あり、
図４は（媒体Ｂの加圧の際に生ずる熱を廃熱エネルギー源とする）本発明によ
る方法であり、
図５は図１中の条件部分（condition points）の値の表であり、
図６は図１中の熱交換をエンタルピー（ｈ）と温度（Ｔ）で示したグラフであ
り、
図７は（ガスタービン法を廃熱エネルギー源とする）本発明の構成の概略図で
あり、
図８は閉鎖二酸化炭素サイクル内で可燃物を酸素によって燃焼する動力装置の
フローチャートであり、及び
図９は、図８による動力装置のフローチャートであって、過剰な廃熱エネルギ
ーを図１による方法により活用する方法を示す。
図１による発電所は、ポンプ（１）、熱交換器（２、３、４）、ボイラー（５
）、タービン（６）、コンデンサー（７）、圧縮器（８）、熱交換器（９）、燃
焼室（１０、１２）、及びタービン（１１）を包含する。媒体Ｂはこの例では二
酸化炭素である。媒体Ａは開放型ガスタービン法におけるものに対応するもので
ある。しかし原理的には、媒体Ａ及び媒体
Ｂを状況に最も適するように、所望によって選択しうる。
圧縮器（８）で加圧した空気を熱交換器（９）に送り、ガスタービン運転工程
からの排ガスにより予熱する。次に空気は燃焼室（１０）を経て、タービン（１
１）に入る。タービン（１１）内で膨張した空気（排ガス）は燃焼室（１２）を
経てボイラー（５）に入り、次に上記の熱交換器（９）に入り空気を予熱する。
これらは全て実施されており既知のものである。本発明により導入される新規な
ことは、以下の通りである。熱交換器（９）からの排ガスが、熱交換器（２）で
、ポンプ（１）により臨界超過圧まで加圧した二酸化炭素を予熱し、同時に返送
二酸化炭素が、熱交換器（２）に並列する熱交換器（３）の二酸化炭素を加熱す
る。この後、臨界超過圧にある二酸化炭素を合流させ、その二酸化炭素を熱交換
器（４）で、臨界超過圧より低い圧力を有する返送二酸化炭素により更に加熱す
る。次に、二酸化炭素をボイラー（５）内で更に加熱し、タービン（６）内で膨
張させて臨界超過圧より低い圧力にする。膨張後、二酸化炭素を上記の熱交換器
（４、３）へ返送する。更に、気体状の二酸化炭素をコンデンサー（７）で凝縮
して液体にし、ポンプ（１）によって臨界超過圧まで加圧する。このように、二
酸化炭素の処理サイクルは閉じている。
図２に、廃熱エネルギーを水蒸気発電法から得る、本発明による処理サイクル
を示す。ボイラー（５）に空気予熱器を
備えている以外は、二酸化炭素サイクルは図１と同様である。水蒸気サイクルに
おいて、減圧弁（１５）から水を給水タンク（１６）に入れ、タービン（１４）
からの水蒸気と混合しながら加熱する。次に、水をポンプ（１７）により所望の
圧力に加圧し、その後、熱交換器（１８）でタービン（１４）のブリード（blee
ding）によって加熱し、更に、熱交換器（１９）においてタービン（１４）のブ
リードによって加熱する。熱交換器（１９、１８）からの返送液を給水タンク（
１６）に入れる。熱交換器（１９）を通過後、水サイクルを分岐させ、水の一部
をボイラー（５）に入れ蒸発させ、過熱して、タービン（１４）に入れる。残り
の水を熱交換器（２）に入れ、その水により二酸化炭素を予熱し、その後水を減
圧弁（１５）に戻す。二酸化炭素の加熱段階はボイラー（５）でも行われる。
図３に、天然ガスの加圧に用いられる動力装置のフローチャートを示す。二酸
化炭素を媒体として用いる処理サイクルは、ボイラー（５）に空気予熱器を備え
ている以外は、図１と同様である。天然ガスを、タービン（６）により発生する
エネルギーを補助に、圧縮器（２０）により加圧し、加熱した天然ガスにより熱
交換器（２）で二酸化炭素を加熱する。この処理サイクルは所望によっては発電
に用いることができる。
図４に、二段階膨張からなる処理サイクルを示す。二酸化
炭素の加圧の一部を圧縮器（２５）により行い、圧縮器（２５）で加熱した二酸
化炭素の熱は熱交換器（２）に活用できる。ボイラー（５）が必要に応じて空気
予熱器を備えている以外は、二酸化炭素サイクルは図１と同様である。二酸化炭
素をボイラー（５）で加熱し、タービン（６）に送る。タービン（２３）内でも
、二酸化炭素を膨張させる。二酸化炭素をタービン（２３）から熱交換器（４、
３）に返送し、予冷器（２４）で更に冷却する。二酸化炭素がタービン（２３）
内で膨張し、達成可能な凝縮温度に相当する圧力より低い圧力になるため、二酸
化炭素は圧縮器（２５）に入る。圧縮器（２５）で加熱した二酸化炭素を熱交換
器（２）で冷却し、コンデンサー（７）に入れ液化する。液化した二酸化炭素を
ポンプ（１）によって臨界超過圧まで加圧する。
図５に、図１中の条件部分（condition points）の値を表にして示す。単純化
をはかるため、空気そのままを媒体Ａとして用いた。タービンの等エントロピー
ブリード比（isoentropic breeding ratio）として９０％を用い、熱交換器の圧
力降下として３％を用い、熱交換器の回復率として９０％を用いた。
図６に、図１中の点Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤにおけるエンタルピー（ｈ）と温度（Ｔ
）の関係を表したグラフを示す。明確化のために、熱交換器（２、３、４）及び
ボイラー（５）は、１つの熱交換器に換算してある。
図７に、図１の数多くの応用例の１つを示す。ボイラー（５）がガスタービン
法の燃焼室に対応している点で図１の処理サイクルとは異なる。このように燃焼
室（１０）をボイラー（５）に置き換えると燃焼室（１２）は必要なくなる。こ
の結合様式は実際に、水冷式ＰＦＢＣコンビ加熱式発電所（water-cooled PFBC
combi healing power plant）の結合様式に対応している。
図８に、本発明ではおそらく最も競合的な構造である基本的な処理サイクルを
示す。燃焼に必要な酸素を閉鎖二酸化炭素サイクルに導入する。熱交換器による
処理サイクルよりも高い最高温度がガスタービン法で得ることができるので、酸
素の導入は処理サイクルの最高温度を上昇させるには自然な手段である。これは
物質の耐久性のためである。更に、水蒸気の凝縮熱は、動力発生の処理サイクル
に活用することができる利点があり、更には、燃焼中に窒素酸化物を生成せず、
燃焼で生成された二酸化炭素を経済的に分離できる等の利点がある。当然、圧縮
器で失われた熱も動力発生の処理サイクルに活用できる。媒体Ｂすなわち二酸化
炭素の加圧の一部をポンプ（１）により行い、その際、加圧に必要なエネルギー
は減少する。
本発明の技術は酸素の分離過程に用いることができる。空気の予冷段階以前に
、分離過程で液化した酸素がポンプで最大圧力に加圧された場合、ある温度差に
相当するエンタルピ
ーの差がポンプの後の箇所の圧力下よりも大きくなるため、液化酸素の一部を処
理サイクルから分離することができる。液化酸素は、本発明（図８）による動力
源である燃焼用酸素として、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）用タンカーに用いる
ことができる。これはいわゆる合成天然ガス（ＳＮＧ）技術に部分的に関連があ
る。
二酸化炭素サイクル中、コンデンサー（７）に続く弁（２６）を通じて、燃焼
で生成した二酸化炭素を処理サイクルから除去する。その後、二酸化炭素をポン
プ（１）で臨界超過圧まで加圧する。次に、二酸化炭素サイクルを分岐させ、加
圧した酸素を熱交換器（２）で二酸化炭素サイクルに導入する。並列する熱交換
器（２、３）で加熱した後、二酸化炭素を熱交換器（４）に入れる。サイクルに
導入した酸素を圧縮器（２８）からの天然ガスによって、燃焼室（１０）内で燃
焼し、一方、二酸化炭素の残りは燃焼室（１０）の冷却部へ入る。タービン（６
）内で二酸化炭素を膨張させた後、タービン（６）の先端部を熱交換器（４）か
らの二酸化炭素により冷却し、二酸化炭素を熱交換器（４、３）に返送する。二
酸化炭素サイクル内で次に位置するのは、例えば地域暖房のために必要に応じて
熱を回収することのできる予冷器（２４）である。地域暖房の量は空気の分離過
程で生じた熱を活用することで更に増加させることができる。この後、燃焼で生
成した水を処理サイクルから除去する。次に圧縮器（２５）に
より二酸化炭素を凝縮圧に加圧する。圧力を凝縮する。二酸化炭素を圧縮器（２
５）から熱交換器（２）へ返送する。サイクルの終わりでは、二酸化炭素をコン
デンサー（７）内で凝縮し液化し、一方、燃焼に用いられなかった酸素の残りを
コンデンサー（７）から除去し、圧縮器に続く空気の分離過程に導入する。
処理サイクル中で生じた二酸化炭素は、処理サイクル中のいかなる場所におい
ても除去できる。燃焼に用いられずにコンデンサーで分離した酸素を、圧縮器で
加圧するか、化学薬品で処理するか、あるいは液化二酸化炭素に溶解することも
できる。例えば空気の分離過程から得られる廃熱エネルギーを用いて、熱交換器
（２）の予熱を行なう構造も可能である。不燃性の炭化水素や一酸化炭素もコン
デンサー（７）で分離することができ、可燃性の物質と混合することでリサイク
ルできる。
図９に、図８による基本的な処理サイクルの応用例を示す。この応用例では、
過剰な廃熱エネルギーは図１による処理サイクルによって活用される。多くの構
成成分部品は同一のものであるため、同一の構成成分部品をいろいろに用いるこ
とができる。つまり、動力装置は、構成成分部品を様々に組み合わせて構成する
ことができる。この処理サイクルは本質的には上記以上の発明の特徴を含んでい
ない。空気の分離過程で得られる廃熱エネルギーは熱交換器（２）で活用される
。
本発明の一つの態様によれば、熱交換器（４）の後に位置するボイラー（５）
では媒体Ｂを加熱しない。従って、媒体Ｂの最高温度への加熱を、熱交換器（４
）で媒体Ａの廃熱エネルギーによって自然に行う。すなわち、熱交換器（４）が
実際にはボイラーの役割を果たす。処理サイクルの他の構成成分部品も、必要に
応じて省略することができる。従って、二酸化炭素サイクルの熱交換器（２、３
、４）を合併して熱交換器の数を減らすことができる。タービン（６）内での膨
張やポンプ（１）内での加圧も又、幾つかの段階で実施でき、加圧の段階の合い
間に冷却することができる。本発明による動力装置は、媒体Ｂの周囲の圧力より
高い圧力を得るのに必要な構成成分部品を、必要に応じて含むこともできる。図
８による動力装置は媒体を自から製造する。処理サイクル中の二酸化炭素を非常
に高い温度で一酸化炭素及び酸素に分解し、タービン（６）に至るまでに閉鎖サ
イクル内で燃焼する。従って、処理サイクルの最高温度が上昇するのにつれて、
ブリード率（breeding ratio）も改善される。媒体Ａ又はＢは、混合することに
よって所望の熱交換の性質を得られるような、数種の物質からなることもできる
。例えば、媒体Ｂは二酸化炭素及び水からなることができる。物質のうち１つが
圧縮器によって加圧される必要のないような、及び／又は過剰な廃熱ネルギーに
よって少なくとも部分的に蒸発できるような２つの物質からなる媒体が理想的で
ある。
本発明による処理サイクルは、例えば図２に示す方法を用いて水蒸気タービン
のブリード（breeding）の数を増加することによって、従来の複合発電所に連結
することができる。このような発電所では、特に、燃焼で生成された水蒸気の凝
集熱が処理サイクルに活用される場合、非常に高い発電効率が得られる。図８に
よる動力装置では、熱交換器（４）は二酸化炭素サイクルに加えて水蒸気サイク
ルからなることができる。実際には、燃焼室の最高温度が熱交換器の最高温度よ
り速く上昇する場合に、上記の動力装置は最も強い競合力を得る。同様に、例え
ば燃焼で生成された水蒸気の凝集熱が充分である場合、又は熱を放出する媒体の
温度差が熱を受容する媒体の温度差より高い場合には、並列する熱交換器（２、
３）は必ずしも必要ではない。本発明は当然、例えば船舶の動力源といった発電
以外の目的にも用いることができる。外部の温度が低いので、本発明は理論上で
は、大型のプロペラ機の動力源として、将来、有利に用いられるであろう。
冷却器と動力機の連結については、文献に理論が公開されている。この理論は
本発明による発電所にも適用できる。すなわち、コンデンサー（７）を冷却工程
の蒸発器に置き換え、冷却工程で得られる廃熱エネルギーを熱交換器（２）にお
いて活用する。特に、吸着法（アンモニア）は本発明による方法に連結するのに
適している。このようにすると、図８による方法は圧縮器（２５）を必要としな
くなるであろう。将来
的には、本発明による動力装置に、いわゆる化学燃焼（chemical combustion）
を適用することもできるであろう。従来の技術を適用して燃焼室やタービンの冷
却を行うこともできる。
ここで述べた例は、本発明を証明するためだけの目的で記載されているもので
あって、詳細が省略されているという理由で、本発明の用途は制限されるもので
はない。本発明を理解するのに不要な詳細は、明確さを得るために省略した。従
って、本発明は示された代表的構造によって制限されるものではなく、以下の請
求の範囲に含まれる全てのものを包含する。Detailed Description of the Invention
Utilization method of waste heat energy in power plant
The present invention relates to waste heat energy in power plants such as power plants.
Regarding the utilization method, more specifically, the waste heat energy in a power plant such as a power plant is used.
As a utilization method of the gas, the warm medium A and the return medium B from the gas turbine operation process
To heat the medium B having a pressure higher than the critical pressure of the method according to the invention in parallel.
It is heated in the exchanger, then the medium B is merged, and the medium B is further replaced by the return medium B in the heat exchanger.
Then, the medium B is heated in the boiler by the medium A passing through the turbine or the combustion chamber.
To a pressure below the critical pressure by expanding it in the turbine,
Return to the process and condense the medium B into a liquid in a condenser, then pump
In a method that includes pressurizing to a supercritical pressure at
Up to the supercritical temperature in the exchanger, or when medium B already has the supercritical temperature.
In this case, the temperature is raised to a higher temperature, which causes a difference in enthalpy (energy).
Energy gap in balance) is made equal by waste heat energy
Since it is (compensated for), the difference in enthalpy corresponding to a certain temperature difference is
Is larger than the difference in enthalpy under pressure at the location following
How to do.
Traditionally, thermal power plants rely on fossil fuels and nuclear power to support more modern power plants.
Generate electricity from positive batteries and geothermal energy
ing. The basic methods used in power plants are the gas turbine method and steam generation.
The electric method or a combination thereof. Radiation is a problem of nuclear power generation.
Waste and expensive initial investment costs. Problems with power generation using fossil fuels
Then, acid rain and greenhouse effect caused by exhaust to the atmosphere can be mentioned. In addition,
Both power plants in the country have
I have a problem. In addition to this, all thermal power plants utilize low-temperature energy for power generation.
Therefore, there is also a problem that efficiency is relatively low. In a power plant according to the invention
Has the above-mentioned drawbacks, is very efficient in power generation, and has many advantages described below.
You. For example, low fuel consumption, low accident risk, low waste
And, there is little exhaust to the atmosphere. In addition to this, the device according to the invention
Must be constructed to operate by utilizing waste heat energy in an old power plant
It is easy to rebuild the old power plant. In steam power generation method
Waste heat energy can be harnessed by increasing the number of tappings.
Wear. At this time, if necessary, set the flow rate through the condenser to the initial state (zero).
Can be returned to. The condensation temperature of water vapor produced by combustion is
Since the frequency is high, it can be used most effectively in the power plant according to FIG.
It is particularly suitable when using natural gas.
To heat the medium B that has been liquefied and compressed to a supercritical pressure
In the low temperature region, more energy than the amount emitted by the low pressure return medium B is emitted.
The invention is based on the fact that rugies are needed. Gas near the critical temperature
Has such characteristics. Therefore, the waste heat energy of a conventional thermal power plant is
It can be used very efficiently by the heat exchanger.
The present invention differs from the ORC method (for example, US A 3 769 789) in that the medium is
After passing through the heat exchangers (2, 3), B becomes a supercritical temperature, so a large amount of energy is consumed.
The increase in enthalpy, which corresponds to the evaporation requiring rugies, is after the pump (1)
It is mainly achieved in parallel installed heat exchangers. Therefore, outside
Part energy can be harnessed by the method of the present invention. This is heat exchange
It means that the vessels (2, 3) are not joined to the boiler. In the ORC method, liquid
Pre-heating of this corresponds to this stage. Comparison of the present invention with gas turbine method and steam power generation method
I will try. In this case, a closed gas turbine method with an ideal heat exchanger, and simple
We will compare various steam power generation methods. The differences between these two methods are described below.
The power from the turbine in the gas turbine method depends on the amount of thermal energy introduced into the system.
Is equivalent. However, most of the energy is not used to press the media with the compressor.
It is. On the other hand, in the steam power generation method, a large amount of energy was consumed by evaporation.
Therefore, thermal energy can only be partially utilized within the turbine. However
The amount of energy required for pressurization is small. Obedience
And taking into account the need to cool the turbine blades,
As for the steam power generation method, it corresponds to the gas turbine method. But the pressurization of the medium
The amount of energy needed to pressurize is
It is considerably lower than the gas turbine method. The above is especially true for FIG. 4 (or FIG. 8).
Applies to structures that
Carbon dioxide, which is a very suitable medium for the method of the present invention, is harmless to the environment and
Hands are also easy. To obtain the required maximum pressure, it is currently used in steam power generation.
Since the pressure equivalent to is already used, it does not require technically advanced equipment.
. By selecting an appropriate medium B, it is possible to maintain
The waste heat of the denser can be utilized for district heating, for example. The present invention is further
For example, compared with conventional methods such as the double substance process, low temperature
It is suitable for degassing solid fuels because it can make good use of energy. Pressure
Waste heat generated during cooling of the compressor can also be efficiently utilized by the method of the present invention.
You. The present invention is also suitable for power plants using two different heat sources. The method of the invention
Also has the advantage of omitting the compressor. In addition, the size of an economically advantageous power plant
The range is wide. Because the pressure of medium B is relatively high, even if the power plant is small
Good is also important.
Burn combustibles with oxygen in a closed carbon dioxide cycle
There are many advantages to doing so. No or no nitrogen oxides were generated during combustion
It can actually separate carbon dioxide and reduce the greenhouse effect. Nitrogen in air
And argon can be separated simultaneously, and liquid oxygen can be separated if desired.
You can also. Conventional method (if necessary, the device according to the present invention
, A much larger amount of (hot) heat power
The energy loss at that time is smaller than that of the conventional method. Other chief
In particular, water treatment, steam turbines (and their associated generators), and chimneys
Is not required.
In the future, the operating time of the present invention will be long. This is due to nuclear fusion
Would it be necessary to preheat the air if the heat generated by the heat was successfully used in the power plant according to Fig. 4?
It is. In the future, resources such as the sun and biomass that can be supplemented will also be generated.
It would be suitable as a heat source by the method of Ming. The main purpose of the present invention is to
Person who uses waste heat energy in various power plants more efficiently than the conventional method
Method, and at the same time, a method that enables economical separation of carbon dioxide produced during combustion.
To serve. To this end, the method according to the invention is described in claim 1.
It has the following characteristics.
The following is a detailed description of the figures.
FIG. 1 shows a power plant according to the present invention (using a gas turbine method as a waste heat energy source).
Is a chart,
FIG. 2 shows the power plant of the present invention (using the steam power generation method as a waste heat energy source).
Is a chart,
FIG. 3 is a flow chart of a power plant according to the present invention used to pressurize natural gas.
Yes,
FIG. 4 shows that the heat generated when the medium B is pressurized is used as a waste heat energy source.
Method,
FIG. 5 is a table of the values of the condition points in FIG.
FIG. 6 is a graph showing the heat exchange in FIG. 1 by enthalpy (h) and temperature (T).
And
FIG. 7 is a schematic diagram of the configuration of the present invention (using the gas turbine method as a waste heat energy source).
Yes,
Figure 8 shows a power plant that burns combustibles with oxygen in a closed carbon dioxide cycle.
Is a flow chart, and
FIG. 9 is a flow chart of the power plant according to FIG. 8, in which excess waste heat energy
Shows how to utilize the method by the method shown in FIG.
The power plant according to FIG. 1 comprises a pump (1), a heat exchanger (2, 3, 4), a boiler (5).
), Turbine (6), condenser (7), compressor (8), heat exchanger (9), fuel
It includes a baking chamber (10, 12) and a turbine (11). Medium B is two in this example
It is carbon oxide. Medium A corresponds to that in the open gas turbine method.
is there. However, in principle, medium A and medium
B may be selected as desired to best suit the situation.
The air pressurized by the compressor (8) is sent to the heat exchanger (9) to operate the gas turbine.
Preheat with exhaust gas from. The air then passes through the combustion chamber (10) and then to the turbine (1
Enter 1). The air (exhaust gas) expanded in the turbine (11) flows through the combustion chamber (12).
After that, it enters the boiler (5) and then enters the above heat exchanger (9) to preheat the air.
These have all been implemented and are known. The novel introduced by the present invention
The facts are as follows. The exhaust gas from the heat exchanger (9) is transferred to the heat exchanger (2).
, Preheat carbon dioxide pressurized to supercritical pressure by pump (1) and return it at the same time
Carbon dioxide heats the carbon dioxide in the heat exchanger (3) in parallel with the heat exchanger (2)
You. After this, the carbon dioxide at the supercritical pressure is merged, and the carbon dioxide is heat-exchanged.
Further heating in the vessel (4) with returning carbon dioxide having a pressure below the supercritical pressure
You. Next, the carbon dioxide is further heated in the boiler (5) and expanded in the turbine (6).
Tension to a pressure below the critical overpressure. After expansion, carbon dioxide is passed through the heat exchanger
Return to (4, 3). Furthermore, the gaseous carbon dioxide is condensed by the condenser (7).
To a liquid and pressurized by pump (1) to supercritical pressure. Thus, two
The carbon oxide treatment cycle is closed.
FIG. 2 shows a treatment cycle according to the present invention in which waste heat energy is obtained from a steam power generation method.
Is shown. Boiler (5) with air preheater
The carbon dioxide cycle is the same as in FIG. 1 except that it is provided. For steam cycle
Then, water is put into the water supply tank (16) from the pressure reducing valve (15), and the turbine (14)
Heat with mixing with steam from. Then water is pumped (17) to the desired
Bleeding the turbine (14) in a heat exchanger (18) after pressurizing to pressure.
heating of the turbine (14) in the heat exchanger (19).
Heat by reed. The liquid returned from the heat exchanger (19, 18) is supplied to the water tank (
Put in 16). After passing through the heat exchanger (19), the water cycle is branched and a part of the water
In a boiler (5) to evaporate, superheat and put into a turbine (14). remaining
Of water into the heat exchanger (2), which preheats the carbon dioxide and then reduces the water
Return to pressure valve (15). The heating step of carbon dioxide is also carried out in the boiler (5).
FIG. 3 shows a flowchart of a power plant used for pressurizing natural gas. Diacid
The treatment cycle using carbon dioxide as a medium is equipped with an air preheater in the boiler (5).
1 is the same as that shown in FIG. Natural gas generated by turbine (6)
With the help of energy, the natural gas heated by the compressor (20) pressurizes and heats it.
The carbon dioxide is heated in the exchanger (2). This process cycle can generate electricity if desired
Can be used for.
FIG. 4 shows a processing cycle consisting of two-stage expansion. Dioxide
Part of the pressurization of carbon is performed by the compressor (25), and the diacid heated by the compressor (25) is used.
The heat of fossil carbon can be used for the heat exchanger (2). Boiler (5) air if needed
The carbon dioxide cycle is the same as in FIG. 1 except that it is equipped with a preheater. Carbon dioxide
The material is heated by the boiler (5) and sent to the turbine (6). Even in the turbine (23)
, Expand the carbon dioxide. The carbon dioxide is transferred from the turbine (23) to the heat exchanger (4,
It is returned to 3) and further cooled in the precooler (24). Carbon dioxide turbine (23)
The diacid will expand in the interior to a pressure below that which corresponds to the achievable condensation temperature.
The carbon dioxide enters the compressor (25). Heat exchange of carbon dioxide heated by the compressor (25)
It is cooled in a vessel (2) and put in a condenser (7) to be liquefied. Liquefied carbon dioxide
Pressurize to supercritical pressure with pump (1).
FIG. 5 shows a table of the values of the condition points in FIG. simplification
In order to measure, the air was used as the medium A as it was. Turbin isentropy
90% is used as the isoentropic breeding ratio and the pressure of the heat exchanger is
A force drop of 3% was used and a heat exchanger recovery rate of 90%.
FIG. 6 shows the enthalpy (h) and the temperature (T) at points A, B, C and D in FIG.
) Is a graph showing the relationship. For clarity, heat exchangers (2, 3, 4) and
The boiler (5) is converted into one heat exchanger.
FIG. 7 shows one of the many applications of FIG. Boiler (5) is a gas turbine
It differs from the processing cycle of FIG. 1 in that it corresponds to the combustion chamber of the method. Burning like this
Replacing the chamber (10) with a boiler (5) eliminates the need for the combustion chamber (12). This
The coupling mode is actually water-cooled PFBC
combi healing power plant).
FIG. 8 shows a basic processing cycle which is probably the most competitive structure in the present invention.
Show. The oxygen required for combustion is introduced into a closed carbon dioxide cycle. By heat exchanger
The highest temperature higher than the treatment cycle can be obtained with the gas turbine method,
Elemental introduction is a natural way to increase the maximum temperature of the treatment cycle. this is
This is because of the durability of the substance. Furthermore, the heat of condensation of water vapor is used in the power generation process cycle.
It has the advantage that it can be used for
There is an advantage that carbon dioxide produced by combustion can be economically separated. Naturally, compression
The heat lost in the vessel can also be used in the power generation process cycle. Medium B or dioxide
Part of the pressurization of carbon is performed by the pump (1), and the energy required for pressurization at that time
Decreases.
The technique of the present invention can be used in the oxygen separation process. Before the air precooling stage
When the oxygen liquefied in the separation process is pressurized to the maximum pressure by the pump, a certain temperature difference
Corresponding enthalpy
Difference is larger than that under pressure at the point after the pump, so some of the liquefied oxygen is treated.
It can be separated from the processing cycle. Liquefied oxygen is the power of the present invention (Fig. 8).
Used as a source of combustion oxygen, for example, in liquefied natural gas (LNG) tankers
be able to. This is partly related to so-called synthetic natural gas (SNG) technology.
You.
Combustion through the valve (26) following the condenser (7) during the carbon dioxide cycle
The carbon dioxide produced in step 1 is removed from the treatment cycle. After that, pump carbon dioxide
Pressurize (1) to increase the critical pressure. Next, the carbon dioxide cycle is branched and added.
The pressurized oxygen is introduced into the carbon dioxide cycle in the heat exchanger (2). Heat exchange in parallel
After heating in the vessel (2, 3), carbon dioxide is placed in the heat exchanger (4). In the cycle
The introduced oxygen is burned in the combustion chamber (10) by the natural gas from the compressor (28).
Firing, while the rest of the carbon dioxide enters the cooling section of the combustion chamber (10). Turbine (6
), After expanding the carbon dioxide in the heat exchanger (4)
It is cooled by the carbon dioxide from the above, and the carbon dioxide is returned to the heat exchanger (4, 3). two
Next in the carbon oxide cycle is, for example, for district heating
It is a precooler (24) capable of recovering heat. The amount of district heating depends on the air separation.
It can be further increased by utilizing the heat generated in the process. After this, burning
The water formed is removed from the treatment cycle. Next to the compressor (25)
More carbon dioxide is added to the condensation pressure. Condense pressure. Compress carbon dioxide (2
Return from 5) to the heat exchanger (2). At the end of the cycle, carbon dioxide is
Condensation and liquefaction in the denser (7), while the remaining oxygen not used for combustion
It is removed from the condenser (7) and introduced into the air separation process following the compressor.
The carbon dioxide produced during the treatment cycle should be stored anywhere in the treatment cycle.
Can be removed. Oxygen that was not used for combustion but separated by the condenser is compressed by the compressor.
Can be pressurized, treated with chemicals, or dissolved in liquefied carbon dioxide
it can. For example, by using waste heat energy obtained from the separation process of air, a heat exchanger
A structure for preheating (2) is also possible. Incombustible hydrocarbons and carbon monoxide
It can be separated with a denser (7) and can be recycled by mixing it with a flammable substance.
Can be
FIG. 9 shows an application example of the basic processing cycle according to FIG. In this application example,
Excess waste heat energy is utilized by the treatment cycle according to FIG. Many structures
Since the component parts are the same, it is possible to use the same component parts in various ways.
Can be. That is, the power plant is configured by combining various constituent component parts in various ways.
be able to. This processing cycle essentially includes the features of the invention described above.
Absent. Waste heat energy obtained in the air separation process is utilized in the heat exchanger (2)
.
According to one aspect of the invention, the boiler (5) located after the heat exchanger (4).
Then, the medium B is not heated. Therefore, the heating of the medium B to the maximum temperature is performed by the heat exchanger (4
), By the waste heat energy of the medium A. That is, the heat exchanger (4)
In fact, it plays the role of a boiler. Other component parts of the processing cycle are also required
It can be omitted accordingly. Therefore, carbon dioxide cycle heat exchangers (2, 3
4) can be combined to reduce the number of heat exchangers. Expansion in the turbine (6)
The tensioning and pressurization in the pump (1) can also be carried out in several stages, depending on the stage of pressurization.
Can be cooled in between. The power plant according to the invention is
The component parts necessary to obtain the high pressure can also be included if desired. Figure
The power plant according to No. 8 manufactures the medium itself. Carbon dioxide during the treatment cycle
It decomposes into carbon monoxide and oxygen at a very high temperature, and it closes the turbine (6).
Burn in the icicle. Therefore, as the maximum temperature of the treatment cycle increases,
The bleeding ratio is also improved. Medium A or B can be mixed
It can therefore also consist of several substances which give the desired heat exchange properties.
. For example, medium B can consist of carbon dioxide and water. One of the substances
To waste heat energy that does not need to be pressurized by the compressor and / or is excessive.
Therefore, a medium consisting of two substances that can be at least partially evaporated is ideal.
is there.
The treatment cycle according to the present invention is performed by using the method shown in FIG.
Connected to conventional combined power plants by increasing the number of breeding
can do. In such power plants, in particular, the condensation of steam produced by combustion
When the heat collection is utilized in the treatment cycle, a very high power generation efficiency can be obtained. In Figure 8
In the power plant according to, the heat exchanger (4) has a steam cycle in addition to the carbon dioxide cycle.
Can consist of le. In fact, the maximum temperature of the combustion chamber is higher than the maximum temperature of the heat exchanger.
When climbing faster, the above power plant gets the most competitive advantage. Similarly,
For example, if the heat of condensation of the steam produced by combustion is sufficient, or if the medium releasing the heat
If the temperature difference is higher than the temperature difference of the heat receiving medium, the heat exchangers (2,
3) is not always necessary. The present invention is naturally applicable to power generation, for example power sources for ships.
It can also be used for other purposes. Since the outside temperature is low, the present invention theoretically
Will be advantageously used in the future as a power source for large propeller aircraft.
The theory of connection between a cooler and a power machine has been published in the literature. This theory is
It is also applicable to the power plant according to the invention. That is, the condenser (7) is cooled
The waste heat energy obtained in the cooling process is transferred to the heat exchanger (2).
And utilize it. In particular, the adsorption method (ammonia) can be connected to the method according to the invention.
Are suitable. In this way, the method according to FIG. 8 does not require a compressor (25).
It will be. future
In particular, the power plant according to the invention has a so-called chemical combustion.
Could also be applied. Applying conventional technology to cool combustion chambers and turbines
It can also be rejected.
The examples given here are provided solely for the purpose of proving the invention.
However, the use of the present invention is limited because details are omitted.
There is no. Details that are unnecessary for understanding the present invention have been omitted for clarity. Obedience
Therefore, the present invention is not limited to the representative structure shown, and
Includes everything within the scope of the desire.
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【要約の続き】
エンタルピーの差が、タービンに続く場所における圧力
下でのエンタルピーの差より大きくなる。本発明の方法
は更に、閉鎖二酸化炭素サイクル内で酸素によって可燃
物を燃焼して生成した二酸化炭素を、経済的に分離する
ことを可能にする。────────────────────────────────────────────────── ───
[Continued summary]
The difference in enthalpy is the pressure at the point where it follows the turbine.
It is larger than the difference in enthalpy below. The method of the invention
Is also flammable by oxygen in a closed carbon dioxide cycle
Economically separate carbon dioxide produced by burning things
To enable that.