二酸化炭素回収型ガスタービンプラント
【課題】本発明の目的は、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントを提供する。
【解決手段】本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、作動流体に水分を加湿する加湿器と、加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼した排ガスで駆動するタービンと、タービンから排出された排ガスと加湿器を通過した作動流体を熱交換する再生熱交換器と、再生熱交換器を通過後の排ガス中から水分を回収する水回収装置を備え、水回収装置を経た排ガスの一部を取り出す抽気経路で導いた排ガス中の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、水回収装置を通過後の排ガスの残りを圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設して構成した。
【解決手段】本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、作動流体に水分を加湿する加湿器と、加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼した排ガスで駆動するタービンと、タービンから排出された排ガスと加湿器を通過した作動流体を熱交換する再生熱交換器と、再生熱交換器を通過後の排ガス中から水分を回収する水回収装置を備え、水回収装置を経た排ガスの一部を取り出す抽気経路で導いた排ガス中の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、水回収装置を通過後の排ガスの残りを圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設して構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素回収型ガスタービンプラントに係わり、特に二酸化炭素を作動流体の主成分とした二酸化炭素回収型ガスタービンプラントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年地球温暖化の原因とされている二酸化炭素の排出を抑制する動きが高まっている。化石燃料の燃焼によって発生した燃焼ガスを使用して発電するガスタービンプラントは二酸化炭素を排出するため、発生した二酸化炭素を回収する研究が多数行われている。
【０００３】
ガスタービンプラントから二酸化炭素を回収する方法として、燃焼排ガスから二酸化炭素を回収する「燃焼後回収方式」、燃料から炭素を除去する「燃焼前回収方式」があるが、これらの方法は排ガスや燃料から炭素成分を除去するために必要な熱エネルギーが大きく、プラント効率を低下させることが課題となっている。別の方法として、炭化水素燃料を純酸素条件下で燃焼させることで、発生する燃焼ガスを二酸化炭素と水蒸気に限定して二酸化炭素の回収を容易にする「酸素燃焼方式」がある。「酸素燃焼方式」は、ガスタービンの作動流体の主成分を二酸化炭素としてガスタービンプラント内を循環させる、クローズドサイクルガスタービンにより実現できる。
【０００４】
クローズドサイクルにした二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの一例として非特許文献1がある。
【０００５】
この非特許文献１に記載されたガスタービンプラントでは、圧縮機で圧縮された二酸化炭素と水蒸気が主成分の作動流体は、再生熱交換器を経由して燃焼器に供給し、前記燃焼器で燃料を燃焼して高温になった作動流体によってタービンを駆動する。そしてタービンから排出された排ガスから排熱回収ボイラで熱回収した後の排ガスを前記圧縮機に流入させる構成のクローズドサイクルを形成している。そして排熱回収ボイラによって排ガスから得られた熱を熱源とした蒸気タービン系統を組み合わせることで、クローズドサイクルで得られた熱を効果的に回収している。
【０００６】
二酸化炭素回収型のクローズドサイクルの別の例として特開平４−２７９７２９号公報に記載されたガスタービンプラントがある。この特開平４−２７９７２９号公報のガスタービンプラントでは、圧縮機で圧縮された二酸化炭素を主成分とする作動流体の一部を分岐して燃焼器に供給し、前記燃焼器で燃料を燃焼して高温になった作動流体によってタービンを駆動する。そしてタービンから排出された排ガスから排熱回収ボイラで熱回収した後の排ガスは凝縮器を経由して最終的に圧縮機に戻るクローズドサイクルを形成している。
【０００７】
また、圧縮機の出口で分岐された作動流体の他の一部は液化装置で液化して二酸化炭素を回収している。前記特開平４−２７９７２９号公報に記載されたガスタービンプラントの構成では、高圧の作動流体を分岐しているため、液化装置で二酸化炭素の液化に要する所内動力を削減可能である。
【０００８】
一方、特表２００６−５１４２０９号公報には、二酸化炭素を回収可能な湿り空気タービンサイクルに関する技術が開示されている。この特表２００６−５１４２０９号公報の記載によれば、圧縮機で圧縮した空気を加湿器で加湿してガスタービンの排ガスから熱回収する再生熱交換器を経由させて昇温し、この昇温した空気を燃焼器に供給することで、蒸気タービン系統を設置せずにガスタービンの排ガスからの熱回収を効率的に行なっている。また、特表２００６−５１４２０９号公報では、ガスタービンの排ガスの一部を圧縮機の吸気に再循環させて混合し、圧縮機の吐出空気から二酸化炭素を除去することが提案されている。ただし、特表２００６−５１４２０９号におけるガスタービンサイクルの作動流体は空気であり、且つ、再循環する排ガスの量は全量ではなく一部である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平４−２７９７２９号公報
【特許文献２】特表２００６−５１４２０９号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「ＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムの提案とその課題」電力中央研究所報告 Ｍ０７００３、平成１９年１０月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記非特許文献１および前記特許文献１に開示したクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、排ガスの熱を回収するために蒸気タービン系統を組み合わせていることによって設備が大型化、複雑化する傾向がある。
【００１２】
一方特許文献２に関しては、蒸気タービンは不要であるものの、ガスタービンの作動媒体が基本的に空気であり、圧縮機の吐出空気中に混入した二酸化炭素を除去する構成である。したがって特許文献２の構成では、空気中に混入した二酸化炭素を除去する方法は、化学分離や膜分離となり、分離に必要なエネルギーによるプラント効率の低下や、分離装置の大型化の面などで課題がある。また、特許文献２の構成では、分離した後の二酸化炭素を液化して利用あるいは処分することを視野に入れると、さらに多くのエネルギーが必要となることが課題である。
【００１３】
本発明の目的は、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、前記水回収装置の下流側から分岐して該水回収装置を通過後の二酸化炭素を主成分とした排ガスの一部を取り出す抽気経路を配設し、前記抽気経路を通じて導いた前記排ガスの二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、前記水回収装置の下流側から分岐して該水回収装置を通過後の前記排ガスの残りを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする。
【００１５】
また本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後のガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、前記圧縮機と前記加湿器の間に該圧縮機を通過して加湿器に供給される二酸化炭素を主成分とした作動流体を冷却する冷却器を備え、前記冷却器と前記加湿器との間から分岐して前記冷却器を通過後の冷却された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする。
【００１６】
また本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後のガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、前記圧縮機と前記加湿器の間に該圧縮機を通過して加湿器に供給される二酸化炭素を主成分とした作動流体を冷却する冷却器を備え、前記加湿器と前記再生熱交換器の間から分岐して前記加湿器を通過後の加湿された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする。
【００１７】
また本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、前記圧縮機は低圧圧縮機と、この低圧圧縮機で圧縮された作動流体を更に圧縮する高圧圧縮機から構成されており、前記低圧圧縮機と前記高圧圧縮機との間、或いは前記高圧圧縮機と前記加湿器との間に作動流体を冷却する冷却器を備え、前記冷却器と前記高圧圧縮機の間、或いは前記高圧圧縮機と前記加湿器との間から分岐して前記冷却器を通過後の冷却された作動流体の一部、或いは前記高圧圧縮機を通過後の冷却された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図２】本発明の第２実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図３】本発明の第３実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図４】本発明の第４実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図５】本発明の第５実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図６】空気を作動流体とするサイクルのＴ−Ｓ線図と二酸化炭素を作動流体とするサイクルのＴ−Ｓ線図の比較図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２１】
まず最初に、本発明の第１実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図１を参照して説明する。
【００２２】
図１に示した第１実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントには、二酸化炭素を主成分とする作動流体４１を圧縮して高圧の作動流体４２を生成する圧縮機１と、燃料８１と酸素８２を燃焼させて高温の排ガス４５を発生する燃焼器２と、燃焼器２で発生した高温の排ガス４５によって駆動するタービン３と、このタービン３の駆動によって回転し発電する発電機９が設置されている。
【００２３】
高温の排ガス４５によってタービン３を駆動し、該タービン３から排出された排ガス４６は、タービン３の下流に設置された再生熱交換器４に流入し、この再生熱交換器４にて該再生熱交換器４に供給される作動流体４３と熱交換して排ガス４６から熱回収を行なう。
【００２４】
再生熱交換器４で熱回収された排ガス４６は、再生熱交換器４の下流に設置された給水加熱器５に流入し、この給水加熱器５にて該給水加熱器５に供給される水と熱交換して作動流体４７から熱回収し、温水７１を生成する。
【００２５】
給水加熱器５で熱回収された排ガス４７は、給水加熱器５の下流に設置された水回収装置６に流入し、この水回収装置６にて循環水７８を散布することで該排ガス４７に含まれている水分を凝縮させる。
【００２６】
水回収装置６を通過した後の排ガス４８の大部分は、水回収装置６の下流に設置されており、流入した二酸化炭素を主成分とする排ガス４８を圧縮する二酸化炭素圧縮機１０と、圧縮した二酸化炭素を主成分とする排ガスを冷却して水分を凝縮分離する凝縮器１１とを備えた二酸化炭素分離装置１００に供給され、前記二酸化炭素分離装置１００によって排ガス４８から水分を分離して、高圧の炭酸ガスとして回収する。
【００２７】
水回収装置６を通過した後の排ガス４８の他の一部は、二酸化炭素分離装置１００の上流側で分岐して再循環経路を通じて圧縮機１に作動流体４１として再び流入し、クローズドサイクルを形成する。
【００２８】
前記圧縮機１で圧縮された高圧の作動流体４２は、燃焼器２に供給される前に加湿器７に流入し、この加湿器７にて前記給水加熱器５から供給された温水７１を散布することによって加湿される。
【００２９】
前記加湿器７で加湿された作動流体４３は、この加湿器７の下流側に設置された前記再生熱交換器４に供給され、この再生熱交換器４にてタービン３から排出した高温の排ガス４６と熱交換して該排ガス４６が保有する熱を回収する。
【００３０】
そして前記再生熱交換器４にて昇温した作動流体４４は再生熱交換器４から燃焼器２に供給され、この燃焼器２にて燃料８１と酸素８２を燃焼して高温の排ガス４５となり、前記タービン３に供給されて該タービン３を駆動する。
【００３１】
前記加湿器７の下部空間には前記水回収装置６で回収された凝縮水７２が供給されており、前記加湿器７の底部に貯蔵された貯蔵水は、ポンプ６１によって昇圧した水７３として前記給水加熱器５に供給することで、加湿器７と給水加熱器５との間で循環するように構成されている。
【００３２】
また、前記水回収装置６で凝縮した凝縮水の一部は、循環水７８として冷却器６３で冷却された後に再度、前記水回収装置６に戻るように循環する循環系を構成している。尚、水回収装置６で凝縮した凝縮水の余剰分は排水としてこの循環系から系外に排出される。
【００３３】
次に、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおける作動流体の流れについて説明する。
【００３４】
図１に示した二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素を主成分とする圧縮機入口前の作動流体４１は圧縮機１によって圧縮され、高圧の作動流体４２となって加湿器７に流入する。
【００３５】
加湿器７には給水加熱器５から温水７１が供給されているので、加湿器７内にて温水７１が蒸発して作動流体４２から潜熱を奪うので、該作動流体４２は冷却された作動流体４３となる。
【００３６】
冷却された作動流体４３は加湿器７から再生熱交換器４に流入し、この再生熱交換器４にてタービン３から排出された排ガス４６と熱交換して昇温した作動流体４４となり、燃焼器２に流入する。
【００３７】
再生熱交換器４から作動流体４４を供給する燃焼器２では燃料８１と酸素８２とを燃焼させて高温の排ガス４５を生成し、この作動流体４５がタービン３に流入する。高温の排ガス４５はタービン３を駆動することで発電機９を回転して発電し、排ガス４６となってタービン３から排出される。
【００３８】
タービン３から排出された排ガス４６は、再生熱交換器４に流入して作動流体４３と熱交換し、昇温した作動流体４４を生成した後に、再生熱交換器４の下流側の給水加熱器５に流入する。
【００３９】
給水加熱器５では排ガス４６は加湿器７に供給される水７３と熱交換して温水７１にした後に、排ガス４７となって給水加熱器５の下流側の水回収装置６に流入する。
【００４０】
排ガス４７の主成分は二酸化炭素と水蒸気であり、水回収装置６にて冷却器６３で冷却された循環水７８を散布して該排ガス４７を冷却することによって大部分の水蒸気が凝縮し、二酸化炭素を主成分とする排ガス４８となって水回収装置６から排出される。
【００４１】
前記排ガス４８の大部分は再循環経路１２を経由して作動流体４１となって圧縮機１に再流入し、クローズドサイクルのガスタービンプラントを形成する。
【００４２】
二酸化炭素を回収するため、排ガス４８のうち、燃焼器２で燃料８１と酸素８２の供給によって生じた量に相当する二酸化炭素については、水回収装置６の下流側に設置された二酸化炭素分離装置１００の二酸化炭素圧縮機１０に二酸化炭素を主成分とする排ガス４８を抽気経路１４を通じて導き、この二酸化炭素圧縮機１０によって二酸化炭素を圧縮する。更に、二酸化炭素分離装置１００に備えた凝縮器１１によって前記二酸化炭素圧縮機１０で圧縮した二酸化炭素を主成分とする排ガスを冷却して水分を凝縮分離することによって、高圧な炭酸ガスとして回収される。
【００４３】
図１に示した二酸化炭素回収型ガスタービンプラントおける水系統の流れについて説明すると、加湿器７では給水加熱器５から供給された温水７１の一部が蒸発して圧縮機１から供給された作動流体４２と混合するが、残りの温水７１は蒸発せずに水７３として加湿器７の底部に流下する。
【００４４】
加湿器７の底部に滞留した水７３はポンプ６１で昇圧して再び給水加熱器５に供給され、加湿器７で蒸発潜熱として失った分の熱量を排ガス４６との熱交換によって回収している。
【００４５】
加湿器７で蒸発した温水７３の蒸発分については、再生熱交換器４、燃焼器２、タービン３を経由し、水回収装置６で凝縮して回収される。
【００４６】
水回収装置６で回収した凝縮水７２の一部は冷却器６３を通じて再び水回収装置６に供給される循環水７８となる。また、水回収装置６で回収した凝縮水７２の残りの水のうち、燃焼器２にて燃料８１と酸素８２の燃焼で発生した分量に相当する余剰水は、排水として系外に排出し、それ以外の水は凝縮水７２として加湿器７に供給する。
【００４７】
次に、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの具体的動作について説明すると、図１において圧縮機１の入口前の二酸化炭素を主成分とする作動流体４１は、約０．１ＭＰａ、約４０℃の状態で存在している。なお、作動流体４１の組成としては質量流量比で二酸化炭素約９７％、水蒸気約３％を想定している。
【００４８】
作動流体４１は圧縮機１で所定の圧力比約１５まで圧縮され、圧力約１．５ＭＰａ、温度約３００℃の作動流体４２となって加湿器７に流入する。
【００４９】
前記加湿器７としては内部に充填物を設置し、充填物の表面を流下する温水７１と作動流体４２とを気液接触させる増湿塔を想定しているが、他の構造、例えば液滴を噴霧し、作動流体と気液接触させる方式の加湿器であっても実現可能である。
【００５０】
前記加湿器７では温水７１の一部が蒸発することで潜熱を作動流体４２から奪い、約２００℃まで冷却された作動流体４３となる。またこの加湿によって、作動流体４３に含まれる水蒸気の質量流量比が約２０％となる。
【００５１】
前記加湿器７を経由した作動流体４３は再生熱交換器４に流入し、この再生熱交換器４で排ガス４６と熱交換することで約６００℃まで温度が上昇し、燃焼器２に流入する。
【００５２】
燃焼器２では酸素８２と燃料８１を燃焼し、この燃焼反応によって所定の燃焼温度約１３００℃まで排ガス４５の温度を上昇させる。なお本実施例における燃料はメタンを想定している。
【００５３】
燃焼器２を通過した排ガス４５は所定の膨張比約１４でタービン３を駆動し、圧力約０．１１ＭＰａ、温度約７００℃の排ガス４６となってタービン３から排出される。
【００５４】
排ガス４６はタービン３の下流側に設置された再生熱交換器４で作動流体４３と熱交換することによって約４００℃まで冷却され、その後、再生熱交換器４の下流側に設置された給水加熱器５に流入する。
【００５５】
給水加熱器５にて排ガス４６は、水７３と熱交換して加熱した温水７３にすることによって約２００℃まで冷却された排ガス４７となり、給水加熱器５の下流側の水回収装置６に流入する。
【００５６】
水回収装置６の水回収方式は水滴を散布して排ガス４７を直接冷却し凝縮させる方式である。水回収装置６によって冷却された排ガス４７は、最終的には圧力約０．１ＭＰａ、温度約４０℃の排ガス４８となる。
【００５７】
水回収装置６から排出された排ガス４８の大部分は再循環経路１２を経由して圧縮機１に再流入し、クローズドサイクルのガスタービンプラントを形成する。
【００５８】
一方で、燃焼器２で燃料８１と酸素８２の燃焼反応によって発生し、タービン３から排出した二酸化炭素を主成分とする排ガス４８は、抽気経路１４を通じて二酸化炭素分離装置１００に導びかれ、この二酸化炭素分離装置１００を構成する二酸化炭素圧縮機１０で二酸化炭素を主成分とする排ガスを圧縮し、更に凝縮器１１によって水分を冷却して凝縮分離し、高圧の炭酸ガスとして回収する。この炭酸ガスは、図示しない二酸化炭素処理設備に送出し、液化炭酸ガスあるいは高圧炭酸ガスとして回収する。液化炭酸ガスを製造する際には、炭酸ガスを高圧な状態で冷却することが必要であるため、本実施例のように高圧の炭酸ガスを得ることができれば、少ない動力で液化炭酸ガスを製造することが可能であり、システム全体としての効率が向上する。
【００５９】
ところで、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおけるクローズドサイクルでは、作動流体の主成分が二酸化炭素なので、より効果的な熱回収が期待できる。この理由を説明するため、作動流体が空気の場合の比較例と本実施例に係る作動流体が二酸化炭素の場合におけるＴ−Ｓ線図を図６に示す。
【００６０】
図６において、タービン入口での作動流体の圧力および温度が同じ場合、本実施例の場合の二酸化炭素を作動流体にすると、二酸化炭素は空気より比熱比が小さいので、タービン出口の作動流体の温度が比較例の空気の場合のＴ３からＴ３’に増加する。このことから本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおけるクローズドサイクルでは、タービンから排出した作動流体の排ガスから回収可能な熱量が増加するものと考えられる。
【００６１】
一般に熱交換器を用いて排ガスからの熱回収を効率的に行なうためには、再生熱交換器４で交換される作動流体間の温度差が大きい方が望ましい。
【００６２】
上記した本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、再生熱交換器４に供給される作動流体４３はその上流側に設置した加湿器７によって冷却されている。さらにタービン３を駆動して排出された排ガス４６は、比熱比の小さい二酸化炭素を主成分とした作動流体であるため同一の膨張比における温度降下が小さく、高い排ガス温度を維持できる。
【００６３】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの運転条件下では、二酸化炭素を主成分にする作動媒体は乾燥空気に比べて温度降下は約２００℃ほど小さくなる。さらに再生熱交換器４を通過した後の排ガス４６が保有する排熱を給水加熱器５にて温水７１に回収しているので、加湿器７に供給した温水７１が失った蒸発潜熱の補給に利用でき、効率的な熱回収が可能となる。
【００６４】
更に、本実施例では、排ガスが保有する排熱を回収するのに設備コストがかかる蒸気タービン系統を設置する必要がないため、高い熱効率を維持しつつガスタービンプラントの設備コストを削減できる。
【００６５】
また水回収装置６では、排ガス４７に散布する冷却水となる凝縮水７８の流量を増加することで、水回収装置６から排出する排ガス４８の温度を大気温度近くまで下げることができる。これによって圧縮機１入口の作動流体４１の温度を低下させ、圧縮機１の圧縮動力を低減させることが可能となる。
【００６６】
さらに水回収装置６の水回収方式として水滴を散布して直接冷却する方式を採用することで、蒸気タービン等に用いられる復水器を用いるよりも簡易な構成で冷却水と作動流体との接触面積を増やし、冷却することが可能となる。
【００６７】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【実施例２】
【００６８】
次に本発明の第２実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図２を参照して説明する。
【００６９】
図２に示した第２実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、図１に示した第１実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントと基本的な構成は同じなので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【００７０】
図２において、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、水回収装置６を通過した後の二酸化炭素を主成分とする排ガス４８の全量が作動流体４１として圧縮機１に流入するように構成されており、圧縮機１を通過後の作動流体４２を加湿器７に供給する経路に前記作動流体４２を冷却する冷却器１３を設置している。
【００７１】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、前記圧縮機１から吐出して冷却器１３で冷却された後の二酸化炭素を主成分とする作動流体４２の一部を抽気する抽気経路１４を冷却器１３と加湿器７との間から分岐するように配設し、更にこの抽気経路１４を通じて導いた二酸化炭素を主成分とする作動流体４２を冷却して水分を凝縮する凝縮器１１を備えた二酸化炭素分離装置１００が設置されており、前記二酸化炭素分離装置１００によって排ガス４２から水分を凝縮分離して高圧な炭酸ガスを回収する。また前記凝縮器１１で生じた水７５は加湿器７の底部に供給される構成となっている。
【００７２】
次に、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの具体的動作について説明すると、図２において圧縮機１の入口前の二酸化炭素を主成分とする作動流体４１は、圧縮機１で所定の圧力比５０まで圧縮され作動流体４２となる。このときの作動流体４２の圧力は約５ＭＰａ、温度は約４１０℃で、その組成は質量流量比で二酸化炭素約９７％、水蒸気約３％である。
【００７３】
圧縮機１で圧縮された作動流体４２は冷却器１３に流入して約３２０℃まで冷却される。冷却器１３を通過して冷却された作動流体４２の一部は抽気経路１４を経由して二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１へと流入する。
【００７４】
凝縮器１１に流入した二酸化炭素を主成分とする作動流体４２が冷却される過程で、作動流体４２に含まれる水蒸気の飽和温度まで温度低下すると、水蒸気が凝縮して分離され、水７５となって排出されて、加湿器７に補給水として供給される。
【００７５】
最終的に、作動流体４２が３０℃まで冷却されると、水の飽和圧力は約4kPaであり、二酸化炭素に対する水蒸気の割合は０．１パーセント未満に低下する。このように、二酸化炭素分離装置１００で純度を高めた高圧の炭酸ガスは、図示しない二酸化炭素処理設備に送出し、液化炭酸ガスあるいは高圧炭酸ガスとして回収する。液化炭酸ガスを製造する際には、炭酸ガスを高圧な状態で冷却することが必要であるため、本実施例のように高圧の炭酸ガスを得ることができれば、少ない動力で液化炭酸ガスを製造することが可能であり、システム全体としての効率が向上する。
【００７６】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおける水系統の具体的動作について説明すると、冷却器１３で作動流体４２と熱交換して加湿器７に供給された水７４の一部はポンプ６１によって昇圧して水７９として冷却器１３に再び供給され、前記冷却器１３にて作動流体４２と熱交換することで約２００℃まで昇温される。
【００７７】
冷却器１３で昇温された水７４は加湿器７に供給され、前記加湿器７にて再熱熱交換器４に流入する作動流体４３を冷却するのに使用される。また、凝縮器１１で作動流体４２から分離された水７５は前記したように加湿器７に供給して補給水として再利用しても良いし、圧縮機１の入口、もしくは途中に戻して圧縮機１内に噴霧しても良い。
【００７８】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、作動流体４１を圧縮機１で圧縮した二酸化炭素を主成分とする高圧の作動流体４２の一部を冷却器１３を通過後に抽気するため、図１に示した第１実施例の二酸化炭素分離装置１００に別置された二酸化炭素圧縮機１０が不要となり、設備コストが削減できる。
【００７９】
また、冷却器１３によって作動流体４２を冷却してから凝縮器１１で水分を凝縮させているため、作動流体４２の温度が低く、凝縮器１１に供給する冷却用の冷却水の流量を削減することが可能である。
【００８０】
また、冷却器１３で作動流体４２との熱交換によって回収した熱は加湿器７に散布する水７４の加熱という形で回収しているため、効率良く熱回収することが可能である。そして凝縮器１１で発生した水７５を加湿器７、もしくは作動流体４１の一部として圧縮機１に再び戻すことで、前者の場合は加湿器７の加湿量の増加、後者の場合は圧縮機１の圧縮動力の低減が見込める。
【００８１】
ところで、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、実施例１と同様に、圧縮機１で圧縮されて該圧縮機１から吐出した作動流体４２を加湿器７で加湿するため、従来の圧縮機とタービンの組合せの場合と比較して、圧縮機１よりもタービン３の作動流体の流量が相対的に多くなるように設計する必要がある。しかしながら、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、二酸化炭素を主成分とする作動流体４２の一部を圧縮機１出口と加湿器７入口との途中から抜き出しているため、加湿器７から再生熱交換器４を経てタービン３に流入する作動媒体４３、４４の流量が減少する。その結果、圧縮機１とタービン３の流量バランスが改善され、スラスト軸受をはじめとした信頼性が向上する利点がある。
【００８２】
なお、高圧な作動流体４２を抽気することによるタービン仕事の低下は、二酸化炭素分離装置１００における圧縮仕事の削減とほぼ相殺されると考えられる。
【００８３】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【実施例３】
【００８４】
次に本発明の第３実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図３を参照して説明する。
【００８５】
図３に示した第３実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、図２に示した第２実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントと基本的な構成は同じなので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【００８６】
図３において、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、前記圧縮機１から吐出して冷却器１３で冷却され、加湿器７で加湿された後の二酸化炭素を主成分とする作動流体４３の一部を抽気する抽気経路１４を前記加湿器７と再生熱交換器４の間から分岐するように配設した構成である。
【００８７】
本実施例の場合は、加湿器７での加湿によって抽気される作動流体４３中に水蒸気が多く含まれるため、前記抽気経路１４を通じて導いた作動流体４３を前記二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１で凝縮することで、より多くの水７５が得られる。よって、得られた多くの水７５を圧縮機１中に噴霧できるので、圧縮機１の圧縮動力をさらに削減可能である。
【００８８】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【実施例４】
【００８９】
次に本発明の第４実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図４を参照して説明する。
【００９０】
図４に示した第４実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、図２に示した第２実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントと基本的な構成は同じなので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【００９１】
図４において、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、圧縮機１が低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６に分割して構成されており、冷却器１３、抽気経路１４、及び凝縮器１１を有する二酸化炭素分離装置１００は前記低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６の間にそれぞれ配設した構成である。
【００９２】
図４に示した本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、二酸化炭素を主成分とする作動流体４１が低圧圧縮機１５に流入して前記低圧圧縮機１５によってこの作動流体４１を所定の圧力比５０まで圧縮して高圧の作動流体４２にする。このときの作動流体４２の圧力は約５ＭＰａ、温度は約４１０℃で、その組成は質量流量比で二酸化炭素約９７％、水蒸気約３％である。
【００９３】
低圧圧縮機１５を経た加圧された作動流体４２は冷却器１３に流入して約３２０℃まで冷却される。冷却器１３を通過して冷却された作動流体４２の一部は低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６との間から分岐して配設された抽気経路１４を経由して二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１に流入する。
【００９４】
凝縮器１１に流入した二酸化炭素を主成分とする作動流体４２が冷却される過程で、作動流体４２中の水蒸気が凝縮して分離され、水７５となって排出されて、加湿器７に補給水として供給される。
【００９５】
最終的に、作動流体４２が３０℃まで冷却されると、水の飽和圧力は約4kPaとなり、二酸化炭素に対する水蒸気の割合は０．１パーセント未満に低下する。このように、二酸化炭素分離装置１００で純度を高めた高圧の炭酸ガスは、図示しない二酸化炭素処理設備に送出し、液化炭酸ガスあるいは高圧炭酸ガスとして回収する。液化炭酸ガスを製造する際には、炭酸ガスを高圧な状態で冷却することが必要であるため、本実施例のように高圧の炭酸ガスを得ることができれば、少ない動力で液化炭酸ガスを製造することが可能である。
【００９６】
また、低圧圧縮機１５で圧縮され、冷却器１３を通過して冷却された作動流体４２の他の一部は、高圧圧縮機１６に流入して該高圧圧縮機１６によって所定の圧力比１．５まで圧縮され、約３７０℃の作動流体４２’となって加湿器７に流入する。
【００９７】
前記加湿器７で加湿された作動流体４２’は、前記した第２実施例の加湿器７で加湿された作動流体４２と同様に、加湿器７から作動流体４３として再熱熱交換器４に流入し、この再熱熱交換器４で昇温した作動流体４３となって前記燃焼器２に供給され、作動流体４４となる。
【００９８】
次に本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおける水系統の具体的動作について説明すると、冷却器１３で作動流体４２と熱交換して加湿器７に供給された水７４の一部はポンプ６１によって昇圧して水７９として冷却器１３に再び供給され、前記冷却器１３にて作動流体４１’と熱交換することで約２００℃まで昇温される。
【００９９】
冷却器１３で昇温した水７４は加湿器７に供給され、前記加湿器７にて再熱熱交換器４に流入する作動流体４３を冷却するのに使用される。
【０１００】
なお、冷却器１３で昇温した冷却水と高圧圧縮機１６出口の作動流体４２’とを熱交換してから加湿器７に供給しても良い。
【０１０１】
また、凝縮器１１で作動流体４２から分離された水７５は加湿器７に供給して補給水として再利用しても良いし、図示していないが低圧圧縮機１５の入口、もしくは途中に戻して低圧圧縮機１５内に噴霧しても良い。
【０１０２】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、実施例２と同様に、別置の二酸化炭素圧縮機１０が不要となり、設備コストが削減できる。
【０１０３】
また、冷却器１３によって作動流体４２を冷却してから凝縮器１１で水分を凝縮させているため、作動流体４２の温度が低く、凝縮器１１に供給する冷却用の冷却水の流量を削減することが可能である。
【０１０４】
また、冷却器１３で作動流体４２との熱交換によって回収した熱は加湿器７に供給する水７４の加熱という形で回収しているため、効率良く熱回収することが可能である。そして凝縮器１１で発生した水７５を加湿器７、もしくは作動流体４１の一部として低圧圧縮機１５に再び戻すことで、前者の場合は加湿器７の加湿量の増加、後者の場合は低圧圧縮機１５の圧縮動力の低減が見込める。
【０１０５】
更に、低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６との間に設置した前記冷却器１３が中間冷却器として機能するため、高圧圧縮機１６の圧縮動力を削減しつつ該高圧圧縮機１６の圧縮出口温度を下げることが可能となる。
【０１０６】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【実施例５】
【０１０７】
次に本発明の第５実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図５を参照して説明する。
【０１０８】
図５に示した第５実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、図４に示した第４実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントと基本的な構成は同じなので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１０９】
図５において、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、第４実施例と同様に圧縮機１を低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６とに分割して構成されており、冷却器１３、抽気経路１４、及び凝縮器１１を有する二酸化炭素分離装置１００とは前記高圧圧縮機１６と加湿器７との間にそれぞれ配設した構成である。
【０１１０】
また、低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６の入口に水７７を噴霧する噴霧冷却器１７、１８をそれぞれ設置しており、前記噴霧冷却器１７、１８に供給される水７７として、水回収装置６と冷却器６３との間を循環する循環水７８から分岐した水７６、及び二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１で凝縮した水７５が利用されている。
【０１１１】
図５に示した本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、低圧圧縮機１５入口にて該低圧圧縮機１５に流入する二酸化炭素を主成分とする作動流体４１に対して、噴霧冷却器１７から水７７が噴霧される。
【０１１２】
噴霧冷却器１７から噴霧する水７７の水量は低圧圧縮機１５の入口質量流量の約１％程度を想定しているが、圧縮機のサージング等の不安定現象を引き起こさない範囲であれば噴霧量を１％以上としても問題ない。
【０１１３】
噴霧冷却器１７から噴霧された水滴は低圧圧縮機１５の入口、もしくは低圧圧縮機１５の内部で蒸発を完了し、作動流体４１’となって高圧圧縮機１６に流入する。
【０１１４】
作動流体４１’が高圧圧縮機１６に流入する際に、高圧圧縮機１６入口にて噴霧冷却器１８から高圧圧縮機１５の入口質量流量の約１％程度の水が更に噴霧される。また、水７７の噴霧量についても低圧圧縮機１５の場合と同じく、サージング等の不安定現象を引き起こさない範囲であれば噴霧量を１％以上としても問題ない。
【０１１５】
前記低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６による圧縮によって、最終的に作動流体４１は所定の圧力比５０まで圧縮されて作動流体４２となる。この時、水７７の噴霧によって高圧圧縮機１６出口の作動流体４２の温度は約３７０℃まで冷却され、かつ、前記低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６の圧縮動力は１０％程度削減されると想定している。
【０１１６】
高圧圧縮機１６を経た作動流体４２は冷却器１３に流入してさらに冷却され、約２８０℃となる。この冷却された作動流体４２の一部が高圧圧縮機１６と加湿器７との間から分岐して配設された抽気経路１４を経由して二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１に流入する。
【０１１７】
凝縮器１１に流入した二酸化炭素を主成分とする作動流体４２が冷却される過程で、作動流体４２中の水蒸気が凝縮して分離され、水７５となって排出されて、加湿器７に補給水として供給される。
【０１１８】
最終的に、作動流体４２が３０℃まで冷却されると、水の飽和圧力は約4kPaとなり、二酸化炭素に対する水蒸気の割合は０．１パーセント未満に低下する。このように、二酸化炭素分離装置１００で純度を高めた高圧の炭酸ガスは、図示しない二酸化炭素処理設備に送出し、液化炭酸ガスあるいは高圧炭酸ガスとして回収する。液化炭酸ガスを製造する際には、炭酸ガスを高圧な状態で冷却することが必要であるため、本実施例のように高圧の炭酸ガスを得ることができれば、少ない動力で液化炭酸ガスを製造することが可能であり、システム全体としての効率が向上する。
【０１１９】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいても、実施例２と同様に、別置の二酸化炭素圧縮機１０が不要となり、設備コストが削減できる。
【０１２０】
また、冷却器１３によって作動流体４２を冷却してから凝縮器１１で水分を凝縮させているため、作動流体４２の温度が低く、凝縮器１１に供給する冷却用の冷却水の流量を削減することが可能である。
【０１２１】
また、冷却器１３で作動流体４２との熱交換によって回収した熱は加湿器７に供給する水７４の加熱という形で回収しているため、効率良く熱回収することが可能である。そして凝縮器１１で発生した水７５を水７７として低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６の各入口に噴霧冷却器１７、１８から噴霧することで、低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６の圧縮動力の低減が見込めると共に、流量増加効果が大きくなり、よって、流量バランス改善の効果を得つつ抽気によるタービン仕事の低下を抑制することが可能となる。
【０１２２】
ここで本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、直接熱交換型の噴霧冷却器１７、１８を用いて吸気冷却と中間冷却を行っているが、冷却機能を果たせば他の機器、例えば間接熱交換型の冷却器を前記噴霧冷却器の替わりに用いても良い。ただし間接熱交換型の冷却器を用いる場合は、作動流体の流量を増加させる効果がなくなる上に二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１で発生した水も利用できないため、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの方が利点が多いと考えられる。
【０１２３】
なお、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６の双方の入口に噴霧冷却器１７、１８を設置したが、どちらか一方のみに噴霧冷却器を設置することも可能である。
【０１２４】
また、前述した実施例２から実施例４の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、圧縮機の圧力比が小さく抽気経路１４で抽気する作動流体の圧力が、図示しない二酸化炭素処理設備に送出するために必要な圧力よりも低い場合には、別途、作動流体を圧縮する二酸化炭素圧縮機が必要となる。しかし、その場合でも、実施例１に比べると作動流体の圧縮に必要な圧縮機の圧力比は小さくて済むという利点がある。
【０１２５】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明は、二酸化炭素回収型ガスタービンプラントに適用でき、特に二酸化炭素を作動流体の主成分とし、この作動流体を圧縮する圧縮機と、酸素燃焼を行なう燃焼器とを備え、前記作動流体の少なくとも一部がクローズドサイクルを形成する二酸化炭素回収型ガスタービンプラントに適用可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
１：圧縮機、２：燃焼器、３：タービン、４：熱交換器、５：給水加熱器、６：水回収装置、７：加湿器、９：発電機、１０：二酸化炭素圧縮機、１１：凝縮器、１２：再循環経路、１３、６３：冷却器、１４：抽気経路、１５：低圧圧縮機、１６：高圧圧縮機、１７、１８：噴霧冷却器、４１〜４４：作動流体、４１’、４２’：作動流体、４５〜４８：排ガス、６１、６２：ポンプ、７１：水、７２：凝縮水、７３、７４、７５：水、７８：循環水、８１：燃料、８２：酸素、１００：二酸化炭素分離装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素回収型ガスタービンプラントに係わり、特に二酸化炭素を作動流体の主成分とした二酸化炭素回収型ガスタービンプラントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年地球温暖化の原因とされている二酸化炭素の排出を抑制する動きが高まっている。化石燃料の燃焼によって発生した燃焼ガスを使用して発電するガスタービンプラントは二酸化炭素を排出するため、発生した二酸化炭素を回収する研究が多数行われている。
【０００３】
ガスタービンプラントから二酸化炭素を回収する方法として、燃焼排ガスから二酸化炭素を回収する「燃焼後回収方式」、燃料から炭素を除去する「燃焼前回収方式」があるが、これらの方法は排ガスや燃料から炭素成分を除去するために必要な熱エネルギーが大きく、プラント効率を低下させることが課題となっている。別の方法として、炭化水素燃料を純酸素条件下で燃焼させることで、発生する燃焼ガスを二酸化炭素と水蒸気に限定して二酸化炭素の回収を容易にする「酸素燃焼方式」がある。「酸素燃焼方式」は、ガスタービンの作動流体の主成分を二酸化炭素としてガスタービンプラント内を循環させる、クローズドサイクルガスタービンにより実現できる。
【０００４】
クローズドサイクルにした二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの一例として非特許文献1がある。
【０００５】
この非特許文献１に記載されたガスタービンプラントでは、圧縮機で圧縮された二酸化炭素と水蒸気が主成分の作動流体は、再生熱交換器を経由して燃焼器に供給し、前記燃焼器で燃料を燃焼して高温になった作動流体によってタービンを駆動する。そしてタービンから排出された排ガスから排熱回収ボイラで熱回収した後の排ガスを前記圧縮機に流入させる構成のクローズドサイクルを形成している。そして排熱回収ボイラによって排ガスから得られた熱を熱源とした蒸気タービン系統を組み合わせることで、クローズドサイクルで得られた熱を効果的に回収している。
【０００６】
二酸化炭素回収型のクローズドサイクルの別の例として特開平４−２７９７２９号公報に記載されたガスタービンプラントがある。この特開平４−２７９７２９号公報のガスタービンプラントでは、圧縮機で圧縮された二酸化炭素を主成分とする作動流体の一部を分岐して燃焼器に供給し、前記燃焼器で燃料を燃焼して高温になった作動流体によってタービンを駆動する。そしてタービンから排出された排ガスから排熱回収ボイラで熱回収した後の排ガスは凝縮器を経由して最終的に圧縮機に戻るクローズドサイクルを形成している。
【０００７】
また、圧縮機の出口で分岐された作動流体の他の一部は液化装置で液化して二酸化炭素を回収している。前記特開平４−２７９７２９号公報に記載されたガスタービンプラントの構成では、高圧の作動流体を分岐しているため、液化装置で二酸化炭素の液化に要する所内動力を削減可能である。
【０００８】
一方、特表２００６−５１４２０９号公報には、二酸化炭素を回収可能な湿り空気タービンサイクルに関する技術が開示されている。この特表２００６−５１４２０９号公報の記載によれば、圧縮機で圧縮した空気を加湿器で加湿してガスタービンの排ガスから熱回収する再生熱交換器を経由させて昇温し、この昇温した空気を燃焼器に供給することで、蒸気タービン系統を設置せずにガスタービンの排ガスからの熱回収を効率的に行なっている。また、特表２００６−５１４２０９号公報では、ガスタービンの排ガスの一部を圧縮機の吸気に再循環させて混合し、圧縮機の吐出空気から二酸化炭素を除去することが提案されている。ただし、特表２００６−５１４２０９号におけるガスタービンサイクルの作動流体は空気であり、且つ、再循環する排ガスの量は全量ではなく一部である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平４−２７９７２９号公報
【特許文献２】特表２００６−５１４２０９号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「ＣＯ２回収型高効率石炭ガス化複合発電システムの提案とその課題」電力中央研究所報告 Ｍ０７００３、平成１９年１０月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記非特許文献１および前記特許文献１に開示したクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、排ガスの熱を回収するために蒸気タービン系統を組み合わせていることによって設備が大型化、複雑化する傾向がある。
【００１２】
一方特許文献２に関しては、蒸気タービンは不要であるものの、ガスタービンの作動媒体が基本的に空気であり、圧縮機の吐出空気中に混入した二酸化炭素を除去する構成である。したがって特許文献２の構成では、空気中に混入した二酸化炭素を除去する方法は、化学分離や膜分離となり、分離に必要なエネルギーによるプラント効率の低下や、分離装置の大型化の面などで課題がある。また、特許文献２の構成では、分離した後の二酸化炭素を液化して利用あるいは処分することを視野に入れると、さらに多くのエネルギーが必要となることが課題である。
【００１３】
本発明の目的は、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、前記水回収装置の下流側から分岐して該水回収装置を通過後の二酸化炭素を主成分とした排ガスの一部を取り出す抽気経路を配設し、前記抽気経路を通じて導いた前記排ガスの二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、前記水回収装置の下流側から分岐して該水回収装置を通過後の前記排ガスの残りを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする。
【００１５】
また本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後のガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、前記圧縮機と前記加湿器の間に該圧縮機を通過して加湿器に供給される二酸化炭素を主成分とした作動流体を冷却する冷却器を備え、前記冷却器と前記加湿器との間から分岐して前記冷却器を通過後の冷却された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする。
【００１６】
また本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後のガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、前記圧縮機と前記加湿器の間に該圧縮機を通過して加湿器に供給される二酸化炭素を主成分とした作動流体を冷却する冷却器を備え、前記加湿器と前記再生熱交換器の間から分岐して前記加湿器を通過後の加湿された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする。
【００１７】
また本発明の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、前記圧縮機は低圧圧縮機と、この低圧圧縮機で圧縮された作動流体を更に圧縮する高圧圧縮機から構成されており、前記低圧圧縮機と前記高圧圧縮機との間、或いは前記高圧圧縮機と前記加湿器との間に作動流体を冷却する冷却器を備え、前記冷却器と前記高圧圧縮機の間、或いは前記高圧圧縮機と前記加湿器との間から分岐して前記冷却器を通過後の冷却された作動流体の一部、或いは前記高圧圧縮機を通過後の冷却された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図２】本発明の第２実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図３】本発明の第３実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図４】本発明の第４実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図５】本発明の第５実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの概略構成を示すプラント系統図。
【図６】空気を作動流体とするサイクルのＴ−Ｓ線図と二酸化炭素を作動流体とするサイクルのＴ−Ｓ線図の比較図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２１】
まず最初に、本発明の第１実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図１を参照して説明する。
【００２２】
図１に示した第１実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントには、二酸化炭素を主成分とする作動流体４１を圧縮して高圧の作動流体４２を生成する圧縮機１と、燃料８１と酸素８２を燃焼させて高温の排ガス４５を発生する燃焼器２と、燃焼器２で発生した高温の排ガス４５によって駆動するタービン３と、このタービン３の駆動によって回転し発電する発電機９が設置されている。
【００２３】
高温の排ガス４５によってタービン３を駆動し、該タービン３から排出された排ガス４６は、タービン３の下流に設置された再生熱交換器４に流入し、この再生熱交換器４にて該再生熱交換器４に供給される作動流体４３と熱交換して排ガス４６から熱回収を行なう。
【００２４】
再生熱交換器４で熱回収された排ガス４６は、再生熱交換器４の下流に設置された給水加熱器５に流入し、この給水加熱器５にて該給水加熱器５に供給される水と熱交換して作動流体４７から熱回収し、温水７１を生成する。
【００２５】
給水加熱器５で熱回収された排ガス４７は、給水加熱器５の下流に設置された水回収装置６に流入し、この水回収装置６にて循環水７８を散布することで該排ガス４７に含まれている水分を凝縮させる。
【００２６】
水回収装置６を通過した後の排ガス４８の大部分は、水回収装置６の下流に設置されており、流入した二酸化炭素を主成分とする排ガス４８を圧縮する二酸化炭素圧縮機１０と、圧縮した二酸化炭素を主成分とする排ガスを冷却して水分を凝縮分離する凝縮器１１とを備えた二酸化炭素分離装置１００に供給され、前記二酸化炭素分離装置１００によって排ガス４８から水分を分離して、高圧の炭酸ガスとして回収する。
【００２７】
水回収装置６を通過した後の排ガス４８の他の一部は、二酸化炭素分離装置１００の上流側で分岐して再循環経路を通じて圧縮機１に作動流体４１として再び流入し、クローズドサイクルを形成する。
【００２８】
前記圧縮機１で圧縮された高圧の作動流体４２は、燃焼器２に供給される前に加湿器７に流入し、この加湿器７にて前記給水加熱器５から供給された温水７１を散布することによって加湿される。
【００２９】
前記加湿器７で加湿された作動流体４３は、この加湿器７の下流側に設置された前記再生熱交換器４に供給され、この再生熱交換器４にてタービン３から排出した高温の排ガス４６と熱交換して該排ガス４６が保有する熱を回収する。
【００３０】
そして前記再生熱交換器４にて昇温した作動流体４４は再生熱交換器４から燃焼器２に供給され、この燃焼器２にて燃料８１と酸素８２を燃焼して高温の排ガス４５となり、前記タービン３に供給されて該タービン３を駆動する。
【００３１】
前記加湿器７の下部空間には前記水回収装置６で回収された凝縮水７２が供給されており、前記加湿器７の底部に貯蔵された貯蔵水は、ポンプ６１によって昇圧した水７３として前記給水加熱器５に供給することで、加湿器７と給水加熱器５との間で循環するように構成されている。
【００３２】
また、前記水回収装置６で凝縮した凝縮水の一部は、循環水７８として冷却器６３で冷却された後に再度、前記水回収装置６に戻るように循環する循環系を構成している。尚、水回収装置６で凝縮した凝縮水の余剰分は排水としてこの循環系から系外に排出される。
【００３３】
次に、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおける作動流体の流れについて説明する。
【００３４】
図１に示した二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素を主成分とする圧縮機入口前の作動流体４１は圧縮機１によって圧縮され、高圧の作動流体４２となって加湿器７に流入する。
【００３５】
加湿器７には給水加熱器５から温水７１が供給されているので、加湿器７内にて温水７１が蒸発して作動流体４２から潜熱を奪うので、該作動流体４２は冷却された作動流体４３となる。
【００３６】
冷却された作動流体４３は加湿器７から再生熱交換器４に流入し、この再生熱交換器４にてタービン３から排出された排ガス４６と熱交換して昇温した作動流体４４となり、燃焼器２に流入する。
【００３７】
再生熱交換器４から作動流体４４を供給する燃焼器２では燃料８１と酸素８２とを燃焼させて高温の排ガス４５を生成し、この作動流体４５がタービン３に流入する。高温の排ガス４５はタービン３を駆動することで発電機９を回転して発電し、排ガス４６となってタービン３から排出される。
【００３８】
タービン３から排出された排ガス４６は、再生熱交換器４に流入して作動流体４３と熱交換し、昇温した作動流体４４を生成した後に、再生熱交換器４の下流側の給水加熱器５に流入する。
【００３９】
給水加熱器５では排ガス４６は加湿器７に供給される水７３と熱交換して温水７１にした後に、排ガス４７となって給水加熱器５の下流側の水回収装置６に流入する。
【００４０】
排ガス４７の主成分は二酸化炭素と水蒸気であり、水回収装置６にて冷却器６３で冷却された循環水７８を散布して該排ガス４７を冷却することによって大部分の水蒸気が凝縮し、二酸化炭素を主成分とする排ガス４８となって水回収装置６から排出される。
【００４１】
前記排ガス４８の大部分は再循環経路１２を経由して作動流体４１となって圧縮機１に再流入し、クローズドサイクルのガスタービンプラントを形成する。
【００４２】
二酸化炭素を回収するため、排ガス４８のうち、燃焼器２で燃料８１と酸素８２の供給によって生じた量に相当する二酸化炭素については、水回収装置６の下流側に設置された二酸化炭素分離装置１００の二酸化炭素圧縮機１０に二酸化炭素を主成分とする排ガス４８を抽気経路１４を通じて導き、この二酸化炭素圧縮機１０によって二酸化炭素を圧縮する。更に、二酸化炭素分離装置１００に備えた凝縮器１１によって前記二酸化炭素圧縮機１０で圧縮した二酸化炭素を主成分とする排ガスを冷却して水分を凝縮分離することによって、高圧な炭酸ガスとして回収される。
【００４３】
図１に示した二酸化炭素回収型ガスタービンプラントおける水系統の流れについて説明すると、加湿器７では給水加熱器５から供給された温水７１の一部が蒸発して圧縮機１から供給された作動流体４２と混合するが、残りの温水７１は蒸発せずに水７３として加湿器７の底部に流下する。
【００４４】
加湿器７の底部に滞留した水７３はポンプ６１で昇圧して再び給水加熱器５に供給され、加湿器７で蒸発潜熱として失った分の熱量を排ガス４６との熱交換によって回収している。
【００４５】
加湿器７で蒸発した温水７３の蒸発分については、再生熱交換器４、燃焼器２、タービン３を経由し、水回収装置６で凝縮して回収される。
【００４６】
水回収装置６で回収した凝縮水７２の一部は冷却器６３を通じて再び水回収装置６に供給される循環水７８となる。また、水回収装置６で回収した凝縮水７２の残りの水のうち、燃焼器２にて燃料８１と酸素８２の燃焼で発生した分量に相当する余剰水は、排水として系外に排出し、それ以外の水は凝縮水７２として加湿器７に供給する。
【００４７】
次に、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの具体的動作について説明すると、図１において圧縮機１の入口前の二酸化炭素を主成分とする作動流体４１は、約０．１ＭＰａ、約４０℃の状態で存在している。なお、作動流体４１の組成としては質量流量比で二酸化炭素約９７％、水蒸気約３％を想定している。
【００４８】
作動流体４１は圧縮機１で所定の圧力比約１５まで圧縮され、圧力約１．５ＭＰａ、温度約３００℃の作動流体４２となって加湿器７に流入する。
【００４９】
前記加湿器７としては内部に充填物を設置し、充填物の表面を流下する温水７１と作動流体４２とを気液接触させる増湿塔を想定しているが、他の構造、例えば液滴を噴霧し、作動流体と気液接触させる方式の加湿器であっても実現可能である。
【００５０】
前記加湿器７では温水７１の一部が蒸発することで潜熱を作動流体４２から奪い、約２００℃まで冷却された作動流体４３となる。またこの加湿によって、作動流体４３に含まれる水蒸気の質量流量比が約２０％となる。
【００５１】
前記加湿器７を経由した作動流体４３は再生熱交換器４に流入し、この再生熱交換器４で排ガス４６と熱交換することで約６００℃まで温度が上昇し、燃焼器２に流入する。
【００５２】
燃焼器２では酸素８２と燃料８１を燃焼し、この燃焼反応によって所定の燃焼温度約１３００℃まで排ガス４５の温度を上昇させる。なお本実施例における燃料はメタンを想定している。
【００５３】
燃焼器２を通過した排ガス４５は所定の膨張比約１４でタービン３を駆動し、圧力約０．１１ＭＰａ、温度約７００℃の排ガス４６となってタービン３から排出される。
【００５４】
排ガス４６はタービン３の下流側に設置された再生熱交換器４で作動流体４３と熱交換することによって約４００℃まで冷却され、その後、再生熱交換器４の下流側に設置された給水加熱器５に流入する。
【００５５】
給水加熱器５にて排ガス４６は、水７３と熱交換して加熱した温水７３にすることによって約２００℃まで冷却された排ガス４７となり、給水加熱器５の下流側の水回収装置６に流入する。
【００５６】
水回収装置６の水回収方式は水滴を散布して排ガス４７を直接冷却し凝縮させる方式である。水回収装置６によって冷却された排ガス４７は、最終的には圧力約０．１ＭＰａ、温度約４０℃の排ガス４８となる。
【００５７】
水回収装置６から排出された排ガス４８の大部分は再循環経路１２を経由して圧縮機１に再流入し、クローズドサイクルのガスタービンプラントを形成する。
【００５８】
一方で、燃焼器２で燃料８１と酸素８２の燃焼反応によって発生し、タービン３から排出した二酸化炭素を主成分とする排ガス４８は、抽気経路１４を通じて二酸化炭素分離装置１００に導びかれ、この二酸化炭素分離装置１００を構成する二酸化炭素圧縮機１０で二酸化炭素を主成分とする排ガスを圧縮し、更に凝縮器１１によって水分を冷却して凝縮分離し、高圧の炭酸ガスとして回収する。この炭酸ガスは、図示しない二酸化炭素処理設備に送出し、液化炭酸ガスあるいは高圧炭酸ガスとして回収する。液化炭酸ガスを製造する際には、炭酸ガスを高圧な状態で冷却することが必要であるため、本実施例のように高圧の炭酸ガスを得ることができれば、少ない動力で液化炭酸ガスを製造することが可能であり、システム全体としての効率が向上する。
【００５９】
ところで、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおけるクローズドサイクルでは、作動流体の主成分が二酸化炭素なので、より効果的な熱回収が期待できる。この理由を説明するため、作動流体が空気の場合の比較例と本実施例に係る作動流体が二酸化炭素の場合におけるＴ−Ｓ線図を図６に示す。
【００６０】
図６において、タービン入口での作動流体の圧力および温度が同じ場合、本実施例の場合の二酸化炭素を作動流体にすると、二酸化炭素は空気より比熱比が小さいので、タービン出口の作動流体の温度が比較例の空気の場合のＴ３からＴ３’に増加する。このことから本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおけるクローズドサイクルでは、タービンから排出した作動流体の排ガスから回収可能な熱量が増加するものと考えられる。
【００６１】
一般に熱交換器を用いて排ガスからの熱回収を効率的に行なうためには、再生熱交換器４で交換される作動流体間の温度差が大きい方が望ましい。
【００６２】
上記した本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、再生熱交換器４に供給される作動流体４３はその上流側に設置した加湿器７によって冷却されている。さらにタービン３を駆動して排出された排ガス４６は、比熱比の小さい二酸化炭素を主成分とした作動流体であるため同一の膨張比における温度降下が小さく、高い排ガス温度を維持できる。
【００６３】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの運転条件下では、二酸化炭素を主成分にする作動媒体は乾燥空気に比べて温度降下は約２００℃ほど小さくなる。さらに再生熱交換器４を通過した後の排ガス４６が保有する排熱を給水加熱器５にて温水７１に回収しているので、加湿器７に供給した温水７１が失った蒸発潜熱の補給に利用でき、効率的な熱回収が可能となる。
【００６４】
更に、本実施例では、排ガスが保有する排熱を回収するのに設備コストがかかる蒸気タービン系統を設置する必要がないため、高い熱効率を維持しつつガスタービンプラントの設備コストを削減できる。
【００６５】
また水回収装置６では、排ガス４７に散布する冷却水となる凝縮水７８の流量を増加することで、水回収装置６から排出する排ガス４８の温度を大気温度近くまで下げることができる。これによって圧縮機１入口の作動流体４１の温度を低下させ、圧縮機１の圧縮動力を低減させることが可能となる。
【００６６】
さらに水回収装置６の水回収方式として水滴を散布して直接冷却する方式を採用することで、蒸気タービン等に用いられる復水器を用いるよりも簡易な構成で冷却水と作動流体との接触面積を増やし、冷却することが可能となる。
【００６７】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【実施例２】
【００６８】
次に本発明の第２実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図２を参照して説明する。
【００６９】
図２に示した第２実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、図１に示した第１実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントと基本的な構成は同じなので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【００７０】
図２において、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、水回収装置６を通過した後の二酸化炭素を主成分とする排ガス４８の全量が作動流体４１として圧縮機１に流入するように構成されており、圧縮機１を通過後の作動流体４２を加湿器７に供給する経路に前記作動流体４２を冷却する冷却器１３を設置している。
【００７１】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、前記圧縮機１から吐出して冷却器１３で冷却された後の二酸化炭素を主成分とする作動流体４２の一部を抽気する抽気経路１４を冷却器１３と加湿器７との間から分岐するように配設し、更にこの抽気経路１４を通じて導いた二酸化炭素を主成分とする作動流体４２を冷却して水分を凝縮する凝縮器１１を備えた二酸化炭素分離装置１００が設置されており、前記二酸化炭素分離装置１００によって排ガス４２から水分を凝縮分離して高圧な炭酸ガスを回収する。また前記凝縮器１１で生じた水７５は加湿器７の底部に供給される構成となっている。
【００７２】
次に、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの具体的動作について説明すると、図２において圧縮機１の入口前の二酸化炭素を主成分とする作動流体４１は、圧縮機１で所定の圧力比５０まで圧縮され作動流体４２となる。このときの作動流体４２の圧力は約５ＭＰａ、温度は約４１０℃で、その組成は質量流量比で二酸化炭素約９７％、水蒸気約３％である。
【００７３】
圧縮機１で圧縮された作動流体４２は冷却器１３に流入して約３２０℃まで冷却される。冷却器１３を通過して冷却された作動流体４２の一部は抽気経路１４を経由して二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１へと流入する。
【００７４】
凝縮器１１に流入した二酸化炭素を主成分とする作動流体４２が冷却される過程で、作動流体４２に含まれる水蒸気の飽和温度まで温度低下すると、水蒸気が凝縮して分離され、水７５となって排出されて、加湿器７に補給水として供給される。
【００７５】
最終的に、作動流体４２が３０℃まで冷却されると、水の飽和圧力は約4kPaであり、二酸化炭素に対する水蒸気の割合は０．１パーセント未満に低下する。このように、二酸化炭素分離装置１００で純度を高めた高圧の炭酸ガスは、図示しない二酸化炭素処理設備に送出し、液化炭酸ガスあるいは高圧炭酸ガスとして回収する。液化炭酸ガスを製造する際には、炭酸ガスを高圧な状態で冷却することが必要であるため、本実施例のように高圧の炭酸ガスを得ることができれば、少ない動力で液化炭酸ガスを製造することが可能であり、システム全体としての効率が向上する。
【００７６】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおける水系統の具体的動作について説明すると、冷却器１３で作動流体４２と熱交換して加湿器７に供給された水７４の一部はポンプ６１によって昇圧して水７９として冷却器１３に再び供給され、前記冷却器１３にて作動流体４２と熱交換することで約２００℃まで昇温される。
【００７７】
冷却器１３で昇温された水７４は加湿器７に供給され、前記加湿器７にて再熱熱交換器４に流入する作動流体４３を冷却するのに使用される。また、凝縮器１１で作動流体４２から分離された水７５は前記したように加湿器７に供給して補給水として再利用しても良いし、圧縮機１の入口、もしくは途中に戻して圧縮機１内に噴霧しても良い。
【００７８】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、作動流体４１を圧縮機１で圧縮した二酸化炭素を主成分とする高圧の作動流体４２の一部を冷却器１３を通過後に抽気するため、図１に示した第１実施例の二酸化炭素分離装置１００に別置された二酸化炭素圧縮機１０が不要となり、設備コストが削減できる。
【００７９】
また、冷却器１３によって作動流体４２を冷却してから凝縮器１１で水分を凝縮させているため、作動流体４２の温度が低く、凝縮器１１に供給する冷却用の冷却水の流量を削減することが可能である。
【００８０】
また、冷却器１３で作動流体４２との熱交換によって回収した熱は加湿器７に散布する水７４の加熱という形で回収しているため、効率良く熱回収することが可能である。そして凝縮器１１で発生した水７５を加湿器７、もしくは作動流体４１の一部として圧縮機１に再び戻すことで、前者の場合は加湿器７の加湿量の増加、後者の場合は圧縮機１の圧縮動力の低減が見込める。
【００８１】
ところで、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、実施例１と同様に、圧縮機１で圧縮されて該圧縮機１から吐出した作動流体４２を加湿器７で加湿するため、従来の圧縮機とタービンの組合せの場合と比較して、圧縮機１よりもタービン３の作動流体の流量が相対的に多くなるように設計する必要がある。しかしながら、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、二酸化炭素を主成分とする作動流体４２の一部を圧縮機１出口と加湿器７入口との途中から抜き出しているため、加湿器７から再生熱交換器４を経てタービン３に流入する作動媒体４３、４４の流量が減少する。その結果、圧縮機１とタービン３の流量バランスが改善され、スラスト軸受をはじめとした信頼性が向上する利点がある。
【００８２】
なお、高圧な作動流体４２を抽気することによるタービン仕事の低下は、二酸化炭素分離装置１００における圧縮仕事の削減とほぼ相殺されると考えられる。
【００８３】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【実施例３】
【００８４】
次に本発明の第３実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図３を参照して説明する。
【００８５】
図３に示した第３実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、図２に示した第２実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントと基本的な構成は同じなので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【００８６】
図３において、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、前記圧縮機１から吐出して冷却器１３で冷却され、加湿器７で加湿された後の二酸化炭素を主成分とする作動流体４３の一部を抽気する抽気経路１４を前記加湿器７と再生熱交換器４の間から分岐するように配設した構成である。
【００８７】
本実施例の場合は、加湿器７での加湿によって抽気される作動流体４３中に水蒸気が多く含まれるため、前記抽気経路１４を通じて導いた作動流体４３を前記二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１で凝縮することで、より多くの水７５が得られる。よって、得られた多くの水７５を圧縮機１中に噴霧できるので、圧縮機１の圧縮動力をさらに削減可能である。
【００８８】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【実施例４】
【００８９】
次に本発明の第４実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図４を参照して説明する。
【００９０】
図４に示した第４実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、図２に示した第２実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントと基本的な構成は同じなので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【００９１】
図４において、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、圧縮機１が低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６に分割して構成されており、冷却器１３、抽気経路１４、及び凝縮器１１を有する二酸化炭素分離装置１００は前記低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６の間にそれぞれ配設した構成である。
【００９２】
図４に示した本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、二酸化炭素を主成分とする作動流体４１が低圧圧縮機１５に流入して前記低圧圧縮機１５によってこの作動流体４１を所定の圧力比５０まで圧縮して高圧の作動流体４２にする。このときの作動流体４２の圧力は約５ＭＰａ、温度は約４１０℃で、その組成は質量流量比で二酸化炭素約９７％、水蒸気約３％である。
【００９３】
低圧圧縮機１５を経た加圧された作動流体４２は冷却器１３に流入して約３２０℃まで冷却される。冷却器１３を通過して冷却された作動流体４２の一部は低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６との間から分岐して配設された抽気経路１４を経由して二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１に流入する。
【００９４】
凝縮器１１に流入した二酸化炭素を主成分とする作動流体４２が冷却される過程で、作動流体４２中の水蒸気が凝縮して分離され、水７５となって排出されて、加湿器７に補給水として供給される。
【００９５】
最終的に、作動流体４２が３０℃まで冷却されると、水の飽和圧力は約4kPaとなり、二酸化炭素に対する水蒸気の割合は０．１パーセント未満に低下する。このように、二酸化炭素分離装置１００で純度を高めた高圧の炭酸ガスは、図示しない二酸化炭素処理設備に送出し、液化炭酸ガスあるいは高圧炭酸ガスとして回収する。液化炭酸ガスを製造する際には、炭酸ガスを高圧な状態で冷却することが必要であるため、本実施例のように高圧の炭酸ガスを得ることができれば、少ない動力で液化炭酸ガスを製造することが可能である。
【００９６】
また、低圧圧縮機１５で圧縮され、冷却器１３を通過して冷却された作動流体４２の他の一部は、高圧圧縮機１６に流入して該高圧圧縮機１６によって所定の圧力比１．５まで圧縮され、約３７０℃の作動流体４２’となって加湿器７に流入する。
【００９７】
前記加湿器７で加湿された作動流体４２’は、前記した第２実施例の加湿器７で加湿された作動流体４２と同様に、加湿器７から作動流体４３として再熱熱交換器４に流入し、この再熱熱交換器４で昇温した作動流体４３となって前記燃焼器２に供給され、作動流体４４となる。
【００９８】
次に本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおける水系統の具体的動作について説明すると、冷却器１３で作動流体４２と熱交換して加湿器７に供給された水７４の一部はポンプ６１によって昇圧して水７９として冷却器１３に再び供給され、前記冷却器１３にて作動流体４１’と熱交換することで約２００℃まで昇温される。
【００９９】
冷却器１３で昇温した水７４は加湿器７に供給され、前記加湿器７にて再熱熱交換器４に流入する作動流体４３を冷却するのに使用される。
【０１００】
なお、冷却器１３で昇温した冷却水と高圧圧縮機１６出口の作動流体４２’とを熱交換してから加湿器７に供給しても良い。
【０１０１】
また、凝縮器１１で作動流体４２から分離された水７５は加湿器７に供給して補給水として再利用しても良いし、図示していないが低圧圧縮機１５の入口、もしくは途中に戻して低圧圧縮機１５内に噴霧しても良い。
【０１０２】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、実施例２と同様に、別置の二酸化炭素圧縮機１０が不要となり、設備コストが削減できる。
【０１０３】
また、冷却器１３によって作動流体４２を冷却してから凝縮器１１で水分を凝縮させているため、作動流体４２の温度が低く、凝縮器１１に供給する冷却用の冷却水の流量を削減することが可能である。
【０１０４】
また、冷却器１３で作動流体４２との熱交換によって回収した熱は加湿器７に供給する水７４の加熱という形で回収しているため、効率良く熱回収することが可能である。そして凝縮器１１で発生した水７５を加湿器７、もしくは作動流体４１の一部として低圧圧縮機１５に再び戻すことで、前者の場合は加湿器７の加湿量の増加、後者の場合は低圧圧縮機１５の圧縮動力の低減が見込める。
【０１０５】
更に、低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６との間に設置した前記冷却器１３が中間冷却器として機能するため、高圧圧縮機１６の圧縮動力を削減しつつ該高圧圧縮機１６の圧縮出口温度を下げることが可能となる。
【０１０６】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【実施例５】
【０１０７】
次に本発明の第５実施例である二酸化炭素回収型ガスタービンプラントについて図５を参照して説明する。
【０１０８】
図５に示した第５実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントは、図４に示した第４実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントと基本的な構成は同じなので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１０９】
図５において、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、第４実施例と同様に圧縮機１を低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６とに分割して構成されており、冷却器１３、抽気経路１４、及び凝縮器１１を有する二酸化炭素分離装置１００とは前記高圧圧縮機１６と加湿器７との間にそれぞれ配設した構成である。
【０１１０】
また、低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６の入口に水７７を噴霧する噴霧冷却器１７、１８をそれぞれ設置しており、前記噴霧冷却器１７、１８に供給される水７７として、水回収装置６と冷却器６３との間を循環する循環水７８から分岐した水７６、及び二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１で凝縮した水７５が利用されている。
【０１１１】
図５に示した本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、低圧圧縮機１５入口にて該低圧圧縮機１５に流入する二酸化炭素を主成分とする作動流体４１に対して、噴霧冷却器１７から水７７が噴霧される。
【０１１２】
噴霧冷却器１７から噴霧する水７７の水量は低圧圧縮機１５の入口質量流量の約１％程度を想定しているが、圧縮機のサージング等の不安定現象を引き起こさない範囲であれば噴霧量を１％以上としても問題ない。
【０１１３】
噴霧冷却器１７から噴霧された水滴は低圧圧縮機１５の入口、もしくは低圧圧縮機１５の内部で蒸発を完了し、作動流体４１’となって高圧圧縮機１６に流入する。
【０１１４】
作動流体４１’が高圧圧縮機１６に流入する際に、高圧圧縮機１６入口にて噴霧冷却器１８から高圧圧縮機１５の入口質量流量の約１％程度の水が更に噴霧される。また、水７７の噴霧量についても低圧圧縮機１５の場合と同じく、サージング等の不安定現象を引き起こさない範囲であれば噴霧量を１％以上としても問題ない。
【０１１５】
前記低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６による圧縮によって、最終的に作動流体４１は所定の圧力比５０まで圧縮されて作動流体４２となる。この時、水７７の噴霧によって高圧圧縮機１６出口の作動流体４２の温度は約３７０℃まで冷却され、かつ、前記低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６の圧縮動力は１０％程度削減されると想定している。
【０１１６】
高圧圧縮機１６を経た作動流体４２は冷却器１３に流入してさらに冷却され、約２８０℃となる。この冷却された作動流体４２の一部が高圧圧縮機１６と加湿器７との間から分岐して配設された抽気経路１４を経由して二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１に流入する。
【０１１７】
凝縮器１１に流入した二酸化炭素を主成分とする作動流体４２が冷却される過程で、作動流体４２中の水蒸気が凝縮して分離され、水７５となって排出されて、加湿器７に補給水として供給される。
【０１１８】
最終的に、作動流体４２が３０℃まで冷却されると、水の飽和圧力は約4kPaとなり、二酸化炭素に対する水蒸気の割合は０．１パーセント未満に低下する。このように、二酸化炭素分離装置１００で純度を高めた高圧の炭酸ガスは、図示しない二酸化炭素処理設備に送出し、液化炭酸ガスあるいは高圧炭酸ガスとして回収する。液化炭酸ガスを製造する際には、炭酸ガスを高圧な状態で冷却することが必要であるため、本実施例のように高圧の炭酸ガスを得ることができれば、少ない動力で液化炭酸ガスを製造することが可能であり、システム全体としての効率が向上する。
【０１１９】
本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいても、実施例２と同様に、別置の二酸化炭素圧縮機１０が不要となり、設備コストが削減できる。
【０１２０】
また、冷却器１３によって作動流体４２を冷却してから凝縮器１１で水分を凝縮させているため、作動流体４２の温度が低く、凝縮器１１に供給する冷却用の冷却水の流量を削減することが可能である。
【０１２１】
また、冷却器１３で作動流体４２との熱交換によって回収した熱は加湿器７に供給する水７４の加熱という形で回収しているため、効率良く熱回収することが可能である。そして凝縮器１１で発生した水７５を水７７として低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６の各入口に噴霧冷却器１７、１８から噴霧することで、低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１６の圧縮動力の低減が見込めると共に、流量増加効果が大きくなり、よって、流量バランス改善の効果を得つつ抽気によるタービン仕事の低下を抑制することが可能となる。
【０１２２】
ここで本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、直接熱交換型の噴霧冷却器１７、１８を用いて吸気冷却と中間冷却を行っているが、冷却機能を果たせば他の機器、例えば間接熱交換型の冷却器を前記噴霧冷却器の替わりに用いても良い。ただし間接熱交換型の冷却器を用いる場合は、作動流体の流量を増加させる効果がなくなる上に二酸化炭素分離装置１００の凝縮器１１で発生した水も利用できないため、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントの方が利点が多いと考えられる。
【０１２３】
なお、本実施例の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントでは、低圧圧縮機１５と高圧圧縮機１６の双方の入口に噴霧冷却器１７、１８を設置したが、どちらか一方のみに噴霧冷却器を設置することも可能である。
【０１２４】
また、前述した実施例２から実施例４の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、圧縮機の圧力比が小さく抽気経路１４で抽気する作動流体の圧力が、図示しない二酸化炭素処理設備に送出するために必要な圧力よりも低い場合には、別途、作動流体を圧縮する二酸化炭素圧縮機が必要となる。しかし、その場合でも、実施例１に比べると作動流体の圧縮に必要な圧縮機の圧力比は小さくて済むという利点がある。
【０１２５】
本発明の実施例によれば、二酸化炭素が主成分の作動流体によって駆動されるクローズドサイクルのガスタービンプラントにおいて、二酸化炭素の液化プロセスまで考慮してガスタービンの排ガスから効率的に熱回収して全体効率を向上させた二酸化炭素回収型ガスタービンプラントが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明は、二酸化炭素回収型ガスタービンプラントに適用でき、特に二酸化炭素を作動流体の主成分とし、この作動流体を圧縮する圧縮機と、酸素燃焼を行なう燃焼器とを備え、前記作動流体の少なくとも一部がクローズドサイクルを形成する二酸化炭素回収型ガスタービンプラントに適用可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
１：圧縮機、２：燃焼器、３：タービン、４：熱交換器、５：給水加熱器、６：水回収装置、７：加湿器、９：発電機、１０：二酸化炭素圧縮機、１１：凝縮器、１２：再循環経路、１３、６３：冷却器、１４：抽気経路、１５：低圧圧縮機、１６：高圧圧縮機、１７、１８：噴霧冷却器、４１〜４４：作動流体、４１’、４２’：作動流体、４５〜４８：排ガス、６１、６２：ポンプ、７１：水、７２：凝縮水、７３、７４、７５：水、７８：循環水、８１：燃料、８２：酸素、１００：二酸化炭素分離装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、
前記水回収装置の下流側から分岐して該水回収装置を通過後の二酸化炭素を主成分とした排ガスの一部を取り出す抽気経路を配設し、
前記抽気経路を通じて導いた前記排ガスの二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、
前記水回収装置の下流側から分岐して該水回収装置を通過後の前記排ガスの残りを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項２】
二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、
前記圧縮機と前記加湿器の間に該圧縮機を通過して加湿器に供給される二酸化炭素を主成分とした作動流体を冷却する冷却器を備え、
前記冷却器と前記加湿器との間から分岐して前記冷却器を通過後の冷却された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、
前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、
前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項３】
二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、
前記圧縮機と前記加湿器の間に該圧縮機を通過して加湿器に供給される二酸化炭素を主成分とした作動流体を冷却する冷却器を備え、
前記加湿器と前記再生熱交換器の間から分岐して前記加湿器を通過後の加湿された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、
前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、
前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項４】
二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、
前記圧縮機は低圧圧縮機と、この低圧圧縮機で圧縮された作動流体を更に圧縮する高圧圧縮機から構成されており、
前記低圧圧縮機と前記高圧圧縮機との間、或いは前記高圧圧縮機と前記加湿器との間に作動流体を冷却する冷却器を備え、
前記冷却器と前記高圧圧縮機の間、或いは前記高圧圧縮機と前記加湿器との間から分岐して前記冷却器を通過後の冷却された作動流体の一部、或いは前記高圧圧縮機を通過後の冷却された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、
前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、
前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする二酸化炭素回収型スタービンプラント。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記水回収装置で排ガスに水を散布して冷却し、冷却によって凝縮した排ガス中の水の一部を該水回収装置から前記加湿器に加湿用の水として供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記分離装置は二酸化炭素を主成分とした排ガスを圧縮する二酸化炭素圧縮機と、この圧縮された排ガスに含まれる水分を凝縮して分離する凝縮器とを備えていることを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記再生熱交換器と前記水回収装置との間に該再生熱交換器を通過後の排ガスと熱交換して水を加熱する給水加熱器を設置し、前記給水加熱器で加熱した水を前記加湿器に加湿用の水として供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項８】
請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記冷却器は前記加湿器で生じた水を前記圧縮機を通過した作動流体と熱交換して該作動流体を冷却する冷却器であり、前記冷却器で冷却に使用した水を前記加湿器に再び加湿用の水として供給することを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項９】
請求項４に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記低圧圧縮機の入口側、或いは前記低圧圧縮機と高圧圧縮機との間に作動流体に水を噴霧する噴霧冷却器を設置し、前記噴霧冷却器に前記水回収装置又は前記液化装置で発生した水を噴霧用の水として供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項１】
二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、
前記水回収装置の下流側から分岐して該水回収装置を通過後の二酸化炭素を主成分とした排ガスの一部を取り出す抽気経路を配設し、
前記抽気経路を通じて導いた前記排ガスの二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、
前記水回収装置の下流側から分岐して該水回収装置を通過後の前記排ガスの残りを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項２】
二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、
前記圧縮機と前記加湿器の間に該圧縮機を通過して加湿器に供給される二酸化炭素を主成分とした作動流体を冷却する冷却器を備え、
前記冷却器と前記加湿器との間から分岐して前記冷却器を通過後の冷却された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、
前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、
前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項３】
二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、
前記圧縮機と前記加湿器の間に該圧縮機を通過して加湿器に供給される二酸化炭素を主成分とした作動流体を冷却する冷却器を備え、
前記加湿器と前記再生熱交換器の間から分岐して前記加湿器を通過後の加湿された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、
前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、
前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項４】
二酸化炭素を主成分とした作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された作動流体に水分を加湿する加湿器と、前記加湿器で加湿された作動流体に酸素と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器によって生成される二酸化炭素を主成分とした排ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンから排出された排ガスと前記加湿器を通過した作動流体とを熱交換させる再生熱交換器と、前記再生熱交換器を通過後の排ガスを冷却して排ガス中の水分を回収する水回収装置とを備え、
前記圧縮機は低圧圧縮機と、この低圧圧縮機で圧縮された作動流体を更に圧縮する高圧圧縮機から構成されており、
前記低圧圧縮機と前記高圧圧縮機との間、或いは前記高圧圧縮機と前記加湿器との間に作動流体を冷却する冷却器を備え、
前記冷却器と前記高圧圧縮機の間、或いは前記高圧圧縮機と前記加湿器との間から分岐して前記冷却器を通過後の冷却された作動流体の一部、或いは前記高圧圧縮機を通過後の冷却された作動流体の一部を取り出す抽気経路を配設し、
前記抽気経路を通じて導いた前記作動流体の二酸化炭素を分離する分離装置を設置し、
前記水回収装置の下流側から該水回収装置を通過後の前記排ガスを前記圧縮機入口に再び流入させる排ガスの経路を配設したことを特徴とする二酸化炭素回収型スタービンプラント。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記水回収装置で排ガスに水を散布して冷却し、冷却によって凝縮した排ガス中の水の一部を該水回収装置から前記加湿器に加湿用の水として供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記分離装置は二酸化炭素を主成分とした排ガスを圧縮する二酸化炭素圧縮機と、この圧縮された排ガスに含まれる水分を凝縮して分離する凝縮器とを備えていることを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記再生熱交換器と前記水回収装置との間に該再生熱交換器を通過後の排ガスと熱交換して水を加熱する給水加熱器を設置し、前記給水加熱器で加熱した水を前記加湿器に加湿用の水として供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項８】
請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記冷却器は前記加湿器で生じた水を前記圧縮機を通過した作動流体と熱交換して該作動流体を冷却する冷却器であり、前記冷却器で冷却に使用した水を前記加湿器に再び加湿用の水として供給することを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【請求項９】
請求項４に記載の二酸化炭素回収型ガスタービンプラントにおいて、
前記低圧圧縮機の入口側、或いは前記低圧圧縮機と高圧圧縮機との間に作動流体に水を噴霧する噴霧冷却器を設置し、前記噴霧冷却器に前記水回収装置又は前記液化装置で発生した水を噴霧用の水として供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収型ガスタービンプラント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２０９７２１（Ｐ２０１０−２０９７２１Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４４３３（Ｐ２００９−５４４３３）
【出願日】平成２１年３月９日（２００９．３．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月９日（２００９．３．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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