ガスタービンシステム
【課題】すすの発生と窒素酸化物の発生を好適に抑制することができるガスタービンシステムを提供することにある。
【解決手段】燃焼器及びタービンを備え、燃焼器で液体燃料を燃焼させて得た出力によりタービンを回転させるガスタービンと、ガスタービンの燃焼器に液体燃料を供給する燃料供給手段と、ガスタービンから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を液体または固体として回収する二酸化炭素回収手段と、二酸化炭素回収部で回収した液体または固体の二酸化炭素を燃料供給手段の液体燃料に混入させる二酸化炭素混入手段とを有することで、上記課題を解決する。
【解決手段】燃焼器及びタービンを備え、燃焼器で液体燃料を燃焼させて得た出力によりタービンを回転させるガスタービンと、ガスタービンの燃焼器に液体燃料を供給する燃料供給手段と、ガスタービンから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を液体または固体として回収する二酸化炭素回収手段と、二酸化炭素回収部で回収した液体または固体の二酸化炭素を燃料供給手段の液体燃料に混入させる二酸化炭素混入手段とを有することで、上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を燃焼させて発生させたエネルギでタービンを回転させるガスタービンを有するガスタービンシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムには、重油、軽油、灯油等の液体燃料（油燃料）を用い、この液体燃料を燃焼器に噴射し、分散させた後、燃焼させ、この燃焼により発生したエネルギでタービンを回転させることで、出力を取り出すシステムがある。このガスタービンシステムでは、液体燃料の燃焼時に窒素酸化物（ＮＯｘ）や、すすが発生する。この窒素酸化物や、すすの排出を低減させる方法としては、液体燃料に水を混入させる方法がある。
【０００３】
また、液体燃料と他の燃料を混合させる装置としては、特許文献１に、ガス燃料を用いるガスタービン燃焼器において、燃焼器に供給する前の前記燃料ガスに前記燃料ガスの温度あるいはそれよりも低い温度で気化しうる液体燃料を液体のまま注入し、前記燃料ガスの温度で前記液体燃料を気化させるとともに前記燃料ガスと均一に混合する燃料予混合手段を備え、前記燃焼器に供給される圧縮空気によって前記燃料ガスと気化した液体燃料との混合燃料を予混合させてから前記燃焼器内に噴射させる予混合部とを備え、前記燃焼器内で前記予混合器を燃焼させてタービンを駆動する燃焼ガスを生成させるガスタービン燃焼器が記載されている。特許文献１に記載されているガスタービンは、気体燃料に気化する液体燃料を混合する装置であるが、特許文献１に記載されているように、燃焼器に注入（噴射）する前に混合することで、２つの物質を混合させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２８０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、水が添加された液体燃料を噴射し燃焼させることで、燃焼反応時に生成されるすすや、ＣＯを低減することが出来る。また、液体燃料に添加する水を微粒化させることで、液体燃料を噴射した際に、水が沸騰膨張し、液体燃料を微粒化することもできる。液体燃料を微粒化できることで、燃焼器に液体燃料を平均的に分散させることができ、燃焼室全体で、より適切に液体燃料を燃焼させることができる。このように液体燃料を適切に燃焼できることで、すすの発生をより低減させることができる。
【０００６】
しかしながら、ガスタービンは、燃焼器内の圧力が高いため、水の沸点も高くなり、液体燃料との沸点の差が小さくなる。そのため、水の沸騰膨張により液体燃料を微粒化させにくいという問題がある。この問題は、燃焼器内の圧力が高くなるほど顕著な問題となる。液体燃料の微粒化が不十分の場合は、すすの発生を十分に抑制することができない。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、すすの発生と窒素酸化物の発生とを好適に抑制することができるガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ガスタービンシステムであって、燃焼器及びタービンを備え、前記燃焼器で液体燃料を燃焼させて得られる燃焼ガスにより前記タービンを回転させるガスタービンと、前記ガスタービンの燃焼器に液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記ガスタービンから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を液体または固体として回収する二酸化炭素回収手段と、前記二酸化炭素回収部で回収した液体または固体の二酸化炭素を前記燃料供給手段の液体燃料に混入させる二酸化炭素混入手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
二酸化炭素回収手段で排ガス中に含まれる二酸化炭素を回収し、さらに回収し、液化、または固化させた二酸化炭素を噴射前の液体燃料に混入させることで、燃焼器内で液体燃料の液滴をより微粒子化させて、分散させることができる。これにより、燃焼器内で液体燃料を好適に燃焼させることができ、すすの発生と窒素酸化物の発生を好適に抑制することができる。また、排ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）を回収でき、さらに、排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく利用することができる。
【００１０】
ここで、ガスタービンシステムは、さらに、前記二酸化炭素と前記液体燃料とを混合させる混合機構を有することが好ましい。
【００１１】
混合機構を設けることで、液体または固体の二酸化炭素を液体燃料内により均一に分散させることができ、燃焼器に液体燃料が噴射された際に、より均一に微粒子化させることができる。
【００１２】
また、前記二酸化炭素が混入された液体燃料によって冷却された空気で前記タービンを冷却する冷却機構を有することが好ましい。
【００１３】
温度の低い液体または固体の二酸化炭素が混入されて、低温となっている液体燃料により空気を冷却し、その冷却された空気でタービンを冷却することで、効率よくタービンを冷却することができる。また、効率よくタービンを冷却できることで、冷却に用いる空気の量を少なくすることができる。
【００１４】
さらに、前記二酸化炭素添加手段が保持する液体または固体の二酸化炭素に水または氷を添加する水分添加手段を有することが好ましい。
【００１５】
二酸化炭素に水分を添加し、液体燃料に二酸化炭素と水分を混入させることで、燃焼器内で液体燃料を好適に燃焼させることができ、すすの発生と窒素酸化物の発生を好適に抑制することができる。
【００１６】
また、前記水分添加手段は、前記ガスタービンから排出される排ガスから水分を抽出することが好ましい。
【００１７】
排ガスから水分を抽出することで、新たに水タンクを設ける必要がなくなり、装置構成を簡単にすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかるガスタービンシステムは、すすの発生と窒素酸化物の発生を好適に抑制することができ、排ガスに含まれるＣＯ２を回収でき、さらに、排ガスに含まれるＣＯ２を効率よく利用することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明にかかるガスタービンシステムの一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２０】
図１は、本発明のガスタービンシステムの一実施形態の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、ガスタービンシステム１０は、ガスタービン１２と、燃料供給手段１４と、蒸気タービン１６と、ＣＯ２回収手段１８と、ＣＯ２混入手段２０とを有する。
【００２１】
ガスタービン１２は、液体燃料を燃焼して得られる燃焼ガスから出力を取り出す手段であり、コンプレッサ２２と、タービン２４と、支持軸２６と、燃焼器２８とを有する。
コンプレッサ２２は、回転されることで、空気を圧縮し排出する。タービン２４は、燃焼ガスが吹き付けられることで回転する部材である。支持軸２６は、コンプレッサ２２とタービン２４とを支持し、コンプレッサ２２とタービン２４とを一体で回転させる。燃焼器２８は、コンプレッサ２２とタービン２４との間に配置されている。燃焼器２８は、コンプレッサ２２から圧縮された空気が供給された状態で、後述する燃料供給手段１４から供給された燃料を燃焼させて、空気を加熱し、膨張させ、膨張させた空気つまり燃焼ガスをタービン２４に供給する。ガスタービン１２は、コンプレッサ１２で圧縮した空気を、燃焼器２８で過熱して、膨張させて燃焼ガスとし、この燃焼ガスをタービン２４に供給することで、タービン２４を回転させる。また、タービン２４の回転を駆動力としてコンプレッサ１２も回転し、空気を圧縮する。
【００２２】
燃料供給手段１４は、ガスタービン１２に燃料を供給する手段であり、燃料供給ポンプ３０と、燃料混合部３２とを有する。燃料供給ポンプ３０は、液体燃料を圧縮して燃焼器２８に向けて射出するポンプである。燃料混合部３２は、液体燃料の流路上において、燃料供給ポンプ３０と燃焼器２８との間に配置され、液体燃料を攪拌し、後述するＣＯ２混入手段２０により混入された液体ＣＯ２と液体燃料とを混合し、液体燃料中に液体ＣＯ２を分散させる。ここで、燃料混合部３２としては、複数種類の液体を混合させる種々の混合手段を用いることができるが、スタティックミキサ方式のマイクロ液滴発生装置を用いることが好ましい。スタティックミキサ方式を用いることにより、駆動部を設けることなく、液体ＣＯ２と液体燃料とを混合し、液体燃料中に液体ＣＯ２を分散させることができる。スタティックミキサ方式のマイクロ液滴発生装置を用いることで、液滴径５μｍ〜３０μｍの液体ＣＯ２の液滴を液体燃料内に生成することができる。
【００２３】
蒸気タービン１６は、ガスタービン１２から排出される排ガスの熱から出力を取り出す手段であり、熱交換器３４とタービン３６とを有する。熱交換器３４は、ガスタービン１２から排出される排ガスから熱を、排ガスが流れる配管に隣接して配置させた配管内の液体に吸収させ、液体を蒸発させて蒸気を発生させる。熱交換器３４は、配管を介して発生させた蒸気をタービン３６に供給する。タービン３６は、タービン２４は、蒸気（空気）が吹き付けられることで回転する部材であり、熱交換器３４から供給された蒸気が吹き付けられることで、回転される。このように蒸気タービン１６は、排ガスの熱から、回転力として出力を取り出す。
【００２４】
ＣＯ２回収手段１８は、ガスタービン１２から排出される排ガスに含まれるＣＯ２（二酸化炭素）を回収する手段であり、ＣＯ２抽出機構４０と、ＣＯ２液化ポンプ４２と、ＣＯ２貯蔵部４４とを有する。ＣＯ２抽出機構４０は、ガスタービン２６から排出される排ガスの経路上、熱交換器３４よりも下流側に配置されており、排ガスからＣＯ２を抽出する。つまり、排ガスに含まれるＣＯ２を分離し、回収する。ＣＯ２液化ポンプ４２は、気体を加圧するポンプであり、ＣＯ２抽出機構４０で抽出したＣＯ２を加圧し、ＣＯ２を液化する。なお、ＣＯ２は、一定圧力範囲で一定温度範囲とした場合に液化するため、ＣＯ２液化ポンプ４２は、圧力とともに温度も制御して、ＣＯ２を一定圧力範囲かつ一定温度範囲の状態とする。ＣＯ２貯蔵部４４は、液化されたＣＯ２を貯蔵するタンクであり、ＣＯ２液化ポンプ４２で液化されたＣＯ２を貯蔵する。
【００２５】
ＣＯ２混入手段２０は、ＣＯ２液化ポンプ４２とＣＯ２貯蔵部４４とを連結する配管と、燃料供給ポンプ３０と混合手段３２とを連結する配管とに接続されている。ＣＯ２混入手段２０は、ＣＯ２回収手段１８で液化されたＣＯ２を、燃料供給ポンプ３０から燃料混合部３２に向けて流れる液体燃料に混合する。
【００２６】
ガスタービンシステム１０は、以上のような構成であり、ガスタービン１２から排出される排ガスに含まれるＣＯ２をＣＯ２回収手段１８により、回収し、液化させる。その後、ＣＯ２混入手段２０により、液化したＣＯ２を燃料供給ポンプ３０から送られる液体燃料に混入させる。その後、液体燃料は、燃料混合部３２により液体ＣＯ２と混合された後、燃焼器２８に噴射され、微小な液滴として燃焼器２８内に分散する。
【００２７】
燃焼器２８に噴射され、微小な液滴となった液体燃料は、内部に混合されている液体燃料よりも沸点が低い液体ＣＯ２が急速に蒸発し、微小爆発を生じる。液体燃料は混合されている液体ＣＯ２が微小爆発することで、さらに微細な液滴となり、燃焼器２８内に分散する。燃焼器２８内で分散された液体燃料は、その後燃焼され、燃焼器内の空気を加熱し膨張させる。燃焼室で加熱され、膨張した空気は、空気流としてタービン２４に供給され、タービン２４を回転させる。タービン２４を回転させた空気流は、排ガスとして配管を流れ、熱交換器３４で隣接する配管の水を加熱した後、ＣＯ２回収機構４０でＣＯ２が回収され、外部に排出される。また、熱交換器３４で排ガスにより加熱された水は、蒸気となってタービン３６に供給され、タービン３６を回転させる。ガスタービンシステム１０は、液体燃料を燃焼させることで発生させたエネルギにより、タービン２４とタービン３６を回転させ、出力を取り出す。また、液体燃料を燃焼させた際に発生するＣＯ２は、ＣＯ２回収手段１８により回収する。
【００２８】
ガスタービンシステム１０は、液体燃料に混合させる液体として、水や、液体燃料よりも沸点が大幅に低い液体ＣＯ２を用いることで、液体燃料を燃焼器２８に噴射した際に、高圧条件化でも、より確実に液体ＣＯ２を蒸発させ、ＣＯ２の微小爆発を発生させることができ、液体燃料を微細な液滴にすることができる。液体燃料を微細な液滴として、燃焼器２８に分散できることにより、液体燃料の燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や、すすの量を低減することができる。
【００２９】
また、液体燃料に混入させるＣＯ２として、ガスタービン１２から排出されるＣＯ２を用いることで、別途液体ＣＯ２を貯留したタンクを設ける必要が無くなる。また、ガスタービン１２から排出される排ガスが外部に排出されることを防止しつつ、回収したＣＯ２を効率よく利用することができる。
【００３０】
次に、本発明のガスタービンシステムの他の実施形態を図２とともに説明する。図２は、本発明のガスタービンシステムの他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。なお、図２に示すガスタービンシステム５０は、水回収添加手段５２を備える点を除いて他の構成は、図１に示すガスタービンシステム１０と同様の構成である。そこで、同一の構成には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略し、以下、各荷重計測装置に特有の点を重点的に説明する。ガスタービンシステム５０は、ガスタービン１２と、燃料供給手段１４と、蒸気タービン１６と、ＣＯ２回収手段１８と、ＣＯ２混入手段２０と、水回収添加手段５２とを有する。
【００３１】
水回収添加手段５２は、ガスタービン１２から排出される排ガスから水分を回収し、液体燃料に混合される液体ＣＯ２に添加する手段であり、水分離部５４と、浄化部５６と、添加部５８とを有する。水分離部５４は、排ガスの流路（排ガスが流れる配管）において、熱交換器３４とＣＯ２回収機構４０との間に配置されており、排ガスから、排ガスに含まれる水分を分離し、回収する。なお、水分離部５４により水分を除去された排ガスは、ＣＯ２回収機構４０に送られる。浄化部５６は、水分離部５４と連結されており、水分離部５４で分離した水分に含まれる不純物を除去し、純水にする。添加部５８は、２つの液体を混合させる手段であり、ＣＯ２液化ポンプ４２とＣＯ２混入手段２０との間の液体ＣＯ２が流れる配管と連結されており、さらに、浄化部５６を介して水分離部５４と連結されている。添加部５８は、水分離部５４で分離された後浄化部５６で不純物が除去された水を、ＣＯ２供給ポンプ４２からＣＯ２混入手段２０に向けて流れる液体ＣＯ２に添加する。水が添加された液体ＣＯ２は、ハイドレード化する。
【００３２】
ガスタービンシステム５０は、以上のような構成であり、水を添加し、ハイドレード化させた液体ＣＯ２を液体燃料に混合し、ハイドレード化された液体ＣＯ２が混合された液体燃料を燃焼器２８に噴射させることで、液体燃料を燃焼器２８に噴射した際に、高圧条件化でも、より確実に液体ＣＯ２を蒸発させ、ＣＯ２の微小爆発を発生させることができ、液体燃料を微細な液滴にすることができる。液体燃料を微細な液滴として、燃焼器２８に分散できることにより、液体燃料の燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や、すすの量を低減することができる。さらに、液体ＣＯ２に加え、水も混合されていることで、液体燃料と水との燃焼反応により、液体燃料の燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や、すすの量をより低減することができる。
【００３３】
ここで、ガスタービンシステム５０では、排ガスを有効利用することができるため、排出ガスに含まれる水分を回収し、回収した水を液体ＣＯ２に添加（混入）させたが、本発明はこれに限定されない。水のタンクを有し、タンクから液体ＣＯ２に水を添加させるようにしてもよい。なお、この場合は、水のタンクを設け、さらに、水の補充や、タンクの交換が必要となる。
【００３４】
なお、ガスタービンシステム５０では、液体ＣＯ２と水とを混合させ、ハイドレード化をしたが、液体燃料に液体または固体のＣＯ２と液体または固体の水とを混合させることができればよい。例えば、液体ＣＯ２と水とを別々の経路で液体燃料に混合させるようにしてもよい。また、固体のＣＯ２、つまりドライアイスや、固体の水、つまり氷を用いる場合は、ドライアイスや氷が、液体燃料に分散されるように、細かく粉砕した状態のドライアイス及び／または氷を液体燃料に混入することが好ましい。細かく粉砕することで、燃料混合部３２でドライアイス及び／または氷を液体燃料に均一に分散させることができる。
【００３５】
次に、本発明のガスタービンシステムのさらに他の実施形態を図３とともに説明する。図３は、本発明のガスタービンシステムの他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。なお、図３に示すガスタービンシステム７０は、熱交換器７６を備える点を除いて他の構成は、図１に示すガスタービンシステム１０と同様の構成である。そこで、同一の構成には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略し、以下、各荷重計測装置に特有の点を重点的に説明する。ガスタービンシステム７０は、ガスタービン１２と、燃料供給手段１４と、蒸気タービン１６と、ＣＯ２回収手段１８と、ＣＯ２混入手段２０と、水回収添加手段５２とタービン冷却手段７２とを有する。
【００３６】
タービン冷却手段７２は、タービン２４を空冷する手段であり、冷却配管７４と熱交換器７６とを有する。冷却配管７４は、コンプレッサ２２とタービン２４とに接続された配管であり、圧縮された空気の一部をタービン２４の冷却通路に供給する。熱交換器７６は、冷却配管７４と、燃料混合部３２と燃焼器２８とを接続し、液体燃料が流通している配管７８との間で熱交換を行う機構である。ここで、液体燃料は、液体ＣＯ２が混合されているため、低温の液体となっている。したがって、熱交換器７６は、配管７８により冷却配管７４を流れる空気を冷却し、タービン２４に供給される空気をより低温の空気とする。
【００３７】
ガスタービンシステム７０は、以上のような構成であり、温度の低い液体または固体のＣＯ２が混入されることで、温度が低くなっている液体燃料の冷却力を用いて、タービン２４を冷却する空気の温度を低くすることで、冷却に利用する空気の量を少なくすることができ、効率よくタービンを冷却することができる。また、冷却に利用する空気の量を少なくすることができることで、コンプレッサ２２で圧縮した空気のうちタービン２４の冷却に使用する空気を少なくすることができる。これにより、コンプレッサ２２で圧縮した空気をより多く燃焼器２８に供給することができ、ガスタービンシステム７０としてのエネルギ効率を高くすることができる。また、熱交換器７６により、液体燃料の温度も上昇させることができるため、燃焼器２８での液体燃料の燃焼しやすくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかるガスタービンシステムは、ガスタービンから排出される排ガスに含まれるすすや窒素酸化物を低減するのに有用であり、特に、二酸化炭素回収機構を有するガスタービンシステムに用いることに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のガスタービンシステムの一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のガスタービンシステムの他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図３】本発明のガスタービンシステムの他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０、５０、７０ ガスタービンシステム
１２ ガスタービン
１４ 燃料供給手段
１６ 蒸気タービン
１８ ＣＯ２回収手段
２０ ＣＯ２混入手段
２２ コンプレッサ
２４ タービン
２６ 支持軸
２８ 燃焼器
３０ 燃料供給ポンプ
３２ 燃料混合部
３４、７６ 熱交換器
３６ タービン
４０ ＣＯ２抽出機構
４２ ＣＯ２液化ポンプ
４４ ＣＯ２貯蔵部
５２ 水回収添加手段
５４ 水分離部
５６ 浄化部
５８ 添加部
７２ タービン冷却手段
７４ 冷却配管
７８ 配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を燃焼させて発生させたエネルギでタービンを回転させるガスタービンを有するガスタービンシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムには、重油、軽油、灯油等の液体燃料（油燃料）を用い、この液体燃料を燃焼器に噴射し、分散させた後、燃焼させ、この燃焼により発生したエネルギでタービンを回転させることで、出力を取り出すシステムがある。このガスタービンシステムでは、液体燃料の燃焼時に窒素酸化物（ＮＯｘ）や、すすが発生する。この窒素酸化物や、すすの排出を低減させる方法としては、液体燃料に水を混入させる方法がある。
【０００３】
また、液体燃料と他の燃料を混合させる装置としては、特許文献１に、ガス燃料を用いるガスタービン燃焼器において、燃焼器に供給する前の前記燃料ガスに前記燃料ガスの温度あるいはそれよりも低い温度で気化しうる液体燃料を液体のまま注入し、前記燃料ガスの温度で前記液体燃料を気化させるとともに前記燃料ガスと均一に混合する燃料予混合手段を備え、前記燃焼器に供給される圧縮空気によって前記燃料ガスと気化した液体燃料との混合燃料を予混合させてから前記燃焼器内に噴射させる予混合部とを備え、前記燃焼器内で前記予混合器を燃焼させてタービンを駆動する燃焼ガスを生成させるガスタービン燃焼器が記載されている。特許文献１に記載されているガスタービンは、気体燃料に気化する液体燃料を混合する装置であるが、特許文献１に記載されているように、燃焼器に注入（噴射）する前に混合することで、２つの物質を混合させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２８０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、水が添加された液体燃料を噴射し燃焼させることで、燃焼反応時に生成されるすすや、ＣＯを低減することが出来る。また、液体燃料に添加する水を微粒化させることで、液体燃料を噴射した際に、水が沸騰膨張し、液体燃料を微粒化することもできる。液体燃料を微粒化できることで、燃焼器に液体燃料を平均的に分散させることができ、燃焼室全体で、より適切に液体燃料を燃焼させることができる。このように液体燃料を適切に燃焼できることで、すすの発生をより低減させることができる。
【０００６】
しかしながら、ガスタービンは、燃焼器内の圧力が高いため、水の沸点も高くなり、液体燃料との沸点の差が小さくなる。そのため、水の沸騰膨張により液体燃料を微粒化させにくいという問題がある。この問題は、燃焼器内の圧力が高くなるほど顕著な問題となる。液体燃料の微粒化が不十分の場合は、すすの発生を十分に抑制することができない。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、すすの発生と窒素酸化物の発生とを好適に抑制することができるガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ガスタービンシステムであって、燃焼器及びタービンを備え、前記燃焼器で液体燃料を燃焼させて得られる燃焼ガスにより前記タービンを回転させるガスタービンと、前記ガスタービンの燃焼器に液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記ガスタービンから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を液体または固体として回収する二酸化炭素回収手段と、前記二酸化炭素回収部で回収した液体または固体の二酸化炭素を前記燃料供給手段の液体燃料に混入させる二酸化炭素混入手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
二酸化炭素回収手段で排ガス中に含まれる二酸化炭素を回収し、さらに回収し、液化、または固化させた二酸化炭素を噴射前の液体燃料に混入させることで、燃焼器内で液体燃料の液滴をより微粒子化させて、分散させることができる。これにより、燃焼器内で液体燃料を好適に燃焼させることができ、すすの発生と窒素酸化物の発生を好適に抑制することができる。また、排ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）を回収でき、さらに、排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく利用することができる。
【００１０】
ここで、ガスタービンシステムは、さらに、前記二酸化炭素と前記液体燃料とを混合させる混合機構を有することが好ましい。
【００１１】
混合機構を設けることで、液体または固体の二酸化炭素を液体燃料内により均一に分散させることができ、燃焼器に液体燃料が噴射された際に、より均一に微粒子化させることができる。
【００１２】
また、前記二酸化炭素が混入された液体燃料によって冷却された空気で前記タービンを冷却する冷却機構を有することが好ましい。
【００１３】
温度の低い液体または固体の二酸化炭素が混入されて、低温となっている液体燃料により空気を冷却し、その冷却された空気でタービンを冷却することで、効率よくタービンを冷却することができる。また、効率よくタービンを冷却できることで、冷却に用いる空気の量を少なくすることができる。
【００１４】
さらに、前記二酸化炭素添加手段が保持する液体または固体の二酸化炭素に水または氷を添加する水分添加手段を有することが好ましい。
【００１５】
二酸化炭素に水分を添加し、液体燃料に二酸化炭素と水分を混入させることで、燃焼器内で液体燃料を好適に燃焼させることができ、すすの発生と窒素酸化物の発生を好適に抑制することができる。
【００１６】
また、前記水分添加手段は、前記ガスタービンから排出される排ガスから水分を抽出することが好ましい。
【００１７】
排ガスから水分を抽出することで、新たに水タンクを設ける必要がなくなり、装置構成を簡単にすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかるガスタービンシステムは、すすの発生と窒素酸化物の発生を好適に抑制することができ、排ガスに含まれるＣＯ２を回収でき、さらに、排ガスに含まれるＣＯ２を効率よく利用することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明にかかるガスタービンシステムの一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２０】
図１は、本発明のガスタービンシステムの一実施形態の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、ガスタービンシステム１０は、ガスタービン１２と、燃料供給手段１４と、蒸気タービン１６と、ＣＯ２回収手段１８と、ＣＯ２混入手段２０とを有する。
【００２１】
ガスタービン１２は、液体燃料を燃焼して得られる燃焼ガスから出力を取り出す手段であり、コンプレッサ２２と、タービン２４と、支持軸２６と、燃焼器２８とを有する。
コンプレッサ２２は、回転されることで、空気を圧縮し排出する。タービン２４は、燃焼ガスが吹き付けられることで回転する部材である。支持軸２６は、コンプレッサ２２とタービン２４とを支持し、コンプレッサ２２とタービン２４とを一体で回転させる。燃焼器２８は、コンプレッサ２２とタービン２４との間に配置されている。燃焼器２８は、コンプレッサ２２から圧縮された空気が供給された状態で、後述する燃料供給手段１４から供給された燃料を燃焼させて、空気を加熱し、膨張させ、膨張させた空気つまり燃焼ガスをタービン２４に供給する。ガスタービン１２は、コンプレッサ１２で圧縮した空気を、燃焼器２８で過熱して、膨張させて燃焼ガスとし、この燃焼ガスをタービン２４に供給することで、タービン２４を回転させる。また、タービン２４の回転を駆動力としてコンプレッサ１２も回転し、空気を圧縮する。
【００２２】
燃料供給手段１４は、ガスタービン１２に燃料を供給する手段であり、燃料供給ポンプ３０と、燃料混合部３２とを有する。燃料供給ポンプ３０は、液体燃料を圧縮して燃焼器２８に向けて射出するポンプである。燃料混合部３２は、液体燃料の流路上において、燃料供給ポンプ３０と燃焼器２８との間に配置され、液体燃料を攪拌し、後述するＣＯ２混入手段２０により混入された液体ＣＯ２と液体燃料とを混合し、液体燃料中に液体ＣＯ２を分散させる。ここで、燃料混合部３２としては、複数種類の液体を混合させる種々の混合手段を用いることができるが、スタティックミキサ方式のマイクロ液滴発生装置を用いることが好ましい。スタティックミキサ方式を用いることにより、駆動部を設けることなく、液体ＣＯ２と液体燃料とを混合し、液体燃料中に液体ＣＯ２を分散させることができる。スタティックミキサ方式のマイクロ液滴発生装置を用いることで、液滴径５μｍ〜３０μｍの液体ＣＯ２の液滴を液体燃料内に生成することができる。
【００２３】
蒸気タービン１６は、ガスタービン１２から排出される排ガスの熱から出力を取り出す手段であり、熱交換器３４とタービン３６とを有する。熱交換器３４は、ガスタービン１２から排出される排ガスから熱を、排ガスが流れる配管に隣接して配置させた配管内の液体に吸収させ、液体を蒸発させて蒸気を発生させる。熱交換器３４は、配管を介して発生させた蒸気をタービン３６に供給する。タービン３６は、タービン２４は、蒸気（空気）が吹き付けられることで回転する部材であり、熱交換器３４から供給された蒸気が吹き付けられることで、回転される。このように蒸気タービン１６は、排ガスの熱から、回転力として出力を取り出す。
【００２４】
ＣＯ２回収手段１８は、ガスタービン１２から排出される排ガスに含まれるＣＯ２（二酸化炭素）を回収する手段であり、ＣＯ２抽出機構４０と、ＣＯ２液化ポンプ４２と、ＣＯ２貯蔵部４４とを有する。ＣＯ２抽出機構４０は、ガスタービン２６から排出される排ガスの経路上、熱交換器３４よりも下流側に配置されており、排ガスからＣＯ２を抽出する。つまり、排ガスに含まれるＣＯ２を分離し、回収する。ＣＯ２液化ポンプ４２は、気体を加圧するポンプであり、ＣＯ２抽出機構４０で抽出したＣＯ２を加圧し、ＣＯ２を液化する。なお、ＣＯ２は、一定圧力範囲で一定温度範囲とした場合に液化するため、ＣＯ２液化ポンプ４２は、圧力とともに温度も制御して、ＣＯ２を一定圧力範囲かつ一定温度範囲の状態とする。ＣＯ２貯蔵部４４は、液化されたＣＯ２を貯蔵するタンクであり、ＣＯ２液化ポンプ４２で液化されたＣＯ２を貯蔵する。
【００２５】
ＣＯ２混入手段２０は、ＣＯ２液化ポンプ４２とＣＯ２貯蔵部４４とを連結する配管と、燃料供給ポンプ３０と混合手段３２とを連結する配管とに接続されている。ＣＯ２混入手段２０は、ＣＯ２回収手段１８で液化されたＣＯ２を、燃料供給ポンプ３０から燃料混合部３２に向けて流れる液体燃料に混合する。
【００２６】
ガスタービンシステム１０は、以上のような構成であり、ガスタービン１２から排出される排ガスに含まれるＣＯ２をＣＯ２回収手段１８により、回収し、液化させる。その後、ＣＯ２混入手段２０により、液化したＣＯ２を燃料供給ポンプ３０から送られる液体燃料に混入させる。その後、液体燃料は、燃料混合部３２により液体ＣＯ２と混合された後、燃焼器２８に噴射され、微小な液滴として燃焼器２８内に分散する。
【００２７】
燃焼器２８に噴射され、微小な液滴となった液体燃料は、内部に混合されている液体燃料よりも沸点が低い液体ＣＯ２が急速に蒸発し、微小爆発を生じる。液体燃料は混合されている液体ＣＯ２が微小爆発することで、さらに微細な液滴となり、燃焼器２８内に分散する。燃焼器２８内で分散された液体燃料は、その後燃焼され、燃焼器内の空気を加熱し膨張させる。燃焼室で加熱され、膨張した空気は、空気流としてタービン２４に供給され、タービン２４を回転させる。タービン２４を回転させた空気流は、排ガスとして配管を流れ、熱交換器３４で隣接する配管の水を加熱した後、ＣＯ２回収機構４０でＣＯ２が回収され、外部に排出される。また、熱交換器３４で排ガスにより加熱された水は、蒸気となってタービン３６に供給され、タービン３６を回転させる。ガスタービンシステム１０は、液体燃料を燃焼させることで発生させたエネルギにより、タービン２４とタービン３６を回転させ、出力を取り出す。また、液体燃料を燃焼させた際に発生するＣＯ２は、ＣＯ２回収手段１８により回収する。
【００２８】
ガスタービンシステム１０は、液体燃料に混合させる液体として、水や、液体燃料よりも沸点が大幅に低い液体ＣＯ２を用いることで、液体燃料を燃焼器２８に噴射した際に、高圧条件化でも、より確実に液体ＣＯ２を蒸発させ、ＣＯ２の微小爆発を発生させることができ、液体燃料を微細な液滴にすることができる。液体燃料を微細な液滴として、燃焼器２８に分散できることにより、液体燃料の燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や、すすの量を低減することができる。
【００２９】
また、液体燃料に混入させるＣＯ２として、ガスタービン１２から排出されるＣＯ２を用いることで、別途液体ＣＯ２を貯留したタンクを設ける必要が無くなる。また、ガスタービン１２から排出される排ガスが外部に排出されることを防止しつつ、回収したＣＯ２を効率よく利用することができる。
【００３０】
次に、本発明のガスタービンシステムの他の実施形態を図２とともに説明する。図２は、本発明のガスタービンシステムの他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。なお、図２に示すガスタービンシステム５０は、水回収添加手段５２を備える点を除いて他の構成は、図１に示すガスタービンシステム１０と同様の構成である。そこで、同一の構成には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略し、以下、各荷重計測装置に特有の点を重点的に説明する。ガスタービンシステム５０は、ガスタービン１２と、燃料供給手段１４と、蒸気タービン１６と、ＣＯ２回収手段１８と、ＣＯ２混入手段２０と、水回収添加手段５２とを有する。
【００３１】
水回収添加手段５２は、ガスタービン１２から排出される排ガスから水分を回収し、液体燃料に混合される液体ＣＯ２に添加する手段であり、水分離部５４と、浄化部５６と、添加部５８とを有する。水分離部５４は、排ガスの流路（排ガスが流れる配管）において、熱交換器３４とＣＯ２回収機構４０との間に配置されており、排ガスから、排ガスに含まれる水分を分離し、回収する。なお、水分離部５４により水分を除去された排ガスは、ＣＯ２回収機構４０に送られる。浄化部５６は、水分離部５４と連結されており、水分離部５４で分離した水分に含まれる不純物を除去し、純水にする。添加部５８は、２つの液体を混合させる手段であり、ＣＯ２液化ポンプ４２とＣＯ２混入手段２０との間の液体ＣＯ２が流れる配管と連結されており、さらに、浄化部５６を介して水分離部５４と連結されている。添加部５８は、水分離部５４で分離された後浄化部５６で不純物が除去された水を、ＣＯ２供給ポンプ４２からＣＯ２混入手段２０に向けて流れる液体ＣＯ２に添加する。水が添加された液体ＣＯ２は、ハイドレード化する。
【００３２】
ガスタービンシステム５０は、以上のような構成であり、水を添加し、ハイドレード化させた液体ＣＯ２を液体燃料に混合し、ハイドレード化された液体ＣＯ２が混合された液体燃料を燃焼器２８に噴射させることで、液体燃料を燃焼器２８に噴射した際に、高圧条件化でも、より確実に液体ＣＯ２を蒸発させ、ＣＯ２の微小爆発を発生させることができ、液体燃料を微細な液滴にすることができる。液体燃料を微細な液滴として、燃焼器２８に分散できることにより、液体燃料の燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や、すすの量を低減することができる。さらに、液体ＣＯ２に加え、水も混合されていることで、液体燃料と水との燃焼反応により、液体燃料の燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や、すすの量をより低減することができる。
【００３３】
ここで、ガスタービンシステム５０では、排ガスを有効利用することができるため、排出ガスに含まれる水分を回収し、回収した水を液体ＣＯ２に添加（混入）させたが、本発明はこれに限定されない。水のタンクを有し、タンクから液体ＣＯ２に水を添加させるようにしてもよい。なお、この場合は、水のタンクを設け、さらに、水の補充や、タンクの交換が必要となる。
【００３４】
なお、ガスタービンシステム５０では、液体ＣＯ２と水とを混合させ、ハイドレード化をしたが、液体燃料に液体または固体のＣＯ２と液体または固体の水とを混合させることができればよい。例えば、液体ＣＯ２と水とを別々の経路で液体燃料に混合させるようにしてもよい。また、固体のＣＯ２、つまりドライアイスや、固体の水、つまり氷を用いる場合は、ドライアイスや氷が、液体燃料に分散されるように、細かく粉砕した状態のドライアイス及び／または氷を液体燃料に混入することが好ましい。細かく粉砕することで、燃料混合部３２でドライアイス及び／または氷を液体燃料に均一に分散させることができる。
【００３５】
次に、本発明のガスタービンシステムのさらに他の実施形態を図３とともに説明する。図３は、本発明のガスタービンシステムの他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。なお、図３に示すガスタービンシステム７０は、熱交換器７６を備える点を除いて他の構成は、図１に示すガスタービンシステム１０と同様の構成である。そこで、同一の構成には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略し、以下、各荷重計測装置に特有の点を重点的に説明する。ガスタービンシステム７０は、ガスタービン１２と、燃料供給手段１４と、蒸気タービン１６と、ＣＯ２回収手段１８と、ＣＯ２混入手段２０と、水回収添加手段５２とタービン冷却手段７２とを有する。
【００３６】
タービン冷却手段７２は、タービン２４を空冷する手段であり、冷却配管７４と熱交換器７６とを有する。冷却配管７４は、コンプレッサ２２とタービン２４とに接続された配管であり、圧縮された空気の一部をタービン２４の冷却通路に供給する。熱交換器７６は、冷却配管７４と、燃料混合部３２と燃焼器２８とを接続し、液体燃料が流通している配管７８との間で熱交換を行う機構である。ここで、液体燃料は、液体ＣＯ２が混合されているため、低温の液体となっている。したがって、熱交換器７６は、配管７８により冷却配管７４を流れる空気を冷却し、タービン２４に供給される空気をより低温の空気とする。
【００３７】
ガスタービンシステム７０は、以上のような構成であり、温度の低い液体または固体のＣＯ２が混入されることで、温度が低くなっている液体燃料の冷却力を用いて、タービン２４を冷却する空気の温度を低くすることで、冷却に利用する空気の量を少なくすることができ、効率よくタービンを冷却することができる。また、冷却に利用する空気の量を少なくすることができることで、コンプレッサ２２で圧縮した空気のうちタービン２４の冷却に使用する空気を少なくすることができる。これにより、コンプレッサ２２で圧縮した空気をより多く燃焼器２８に供給することができ、ガスタービンシステム７０としてのエネルギ効率を高くすることができる。また、熱交換器７６により、液体燃料の温度も上昇させることができるため、燃焼器２８での液体燃料の燃焼しやすくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかるガスタービンシステムは、ガスタービンから排出される排ガスに含まれるすすや窒素酸化物を低減するのに有用であり、特に、二酸化炭素回収機構を有するガスタービンシステムに用いることに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のガスタービンシステムの一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のガスタービンシステムの他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図３】本発明のガスタービンシステムの他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０、５０、７０ ガスタービンシステム
１２ ガスタービン
１４ 燃料供給手段
１６ 蒸気タービン
１８ ＣＯ２回収手段
２０ ＣＯ２混入手段
２２ コンプレッサ
２４ タービン
２６ 支持軸
２８ 燃焼器
３０ 燃料供給ポンプ
３２ 燃料混合部
３４、７６ 熱交換器
３６ タービン
４０ ＣＯ２抽出機構
４２ ＣＯ２液化ポンプ
４４ ＣＯ２貯蔵部
５２ 水回収添加手段
５４ 水分離部
５６ 浄化部
５８ 添加部
７２ タービン冷却手段
７４ 冷却配管
７８ 配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器及びタービンを備え、前記燃焼器で液体燃料を燃焼させて得られる燃焼ガスにより前記タービンを回転させるガスタービンと、
前記ガスタービンの燃焼器に液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記ガスタービンから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を液体または固体として回収する二酸化炭素回収手段と、
前記二酸化炭素回収部で回収した液体または固体の二酸化炭素を前記燃料供給手段の液体燃料に混入させる二酸化炭素混入手段とを有することを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
前記二酸化炭素と前記液体燃料とを混合させる混合機構を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
前記二酸化炭素が混入された液体燃料によって冷却された空気で前記タービンを冷却する冷却機構を有することを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
さらに、前記二酸化炭素添加手段が保持する液体または固体の二酸化炭素に水または氷を添加する水分添加手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。
【請求項５】
前記水分添加手段は、前記ガスタービンから排出される排ガスから水分を抽出することを特徴とする請求項４記載のガスタービンシステム。
【請求項１】
燃焼器及びタービンを備え、前記燃焼器で液体燃料を燃焼させて得られる燃焼ガスにより前記タービンを回転させるガスタービンと、
前記ガスタービンの燃焼器に液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記ガスタービンから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を液体または固体として回収する二酸化炭素回収手段と、
前記二酸化炭素回収部で回収した液体または固体の二酸化炭素を前記燃料供給手段の液体燃料に混入させる二酸化炭素混入手段とを有することを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
前記二酸化炭素と前記液体燃料とを混合させる混合機構を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
前記二酸化炭素が混入された液体燃料によって冷却された空気で前記タービンを冷却する冷却機構を有することを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
さらに、前記二酸化炭素添加手段が保持する液体または固体の二酸化炭素に水または氷を添加する水分添加手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。
【請求項５】
前記水分添加手段は、前記ガスタービンから排出される排ガスから水分を抽出することを特徴とする請求項４記載のガスタービンシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１４４７０６（Ｐ２０１０−１４４７０６Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２６５０４（Ｐ２００８−３２６５０４）
【出願日】平成２０年１２月２２日（２００８．１２．２２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２２日（２００８．１２．２２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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