低ＣＯ２火力発電プラント
主に石炭ベースの燃料からの電力を生成するための方法であって、燃焼ガスが、ＣＯ２捕捉ユニットの中でＣＯ２の豊富な流れとＣＯ２不足の流れとに分離され、このＣＯ２不足の流れが周囲環境中に放出され、このＣＯ２の豊富な流れが貯蔵又は移出のために準備される方法。この方法を実行するプラント及びこのプラントのために好ましいインジェクタもまた含まれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として石炭ベースの燃料から電力を生成するための方法に関し、この方法では燃焼ガスが例えば安全な貯蔵のために移出されるＣＯ２の豊富な流れと、周囲環境中に放出されるＣＯ２不足の流れとに分離される。さらに、本発明は、この方法を実行するプラント及びこのプラントの一部に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中のＣＯ２濃度は、主として石炭及び炭化水素など化石燃料の燃焼により過去１５０年でほぼ３０％増加した。メタンの濃度は倍増し、窒素酸化物の濃度は約１５％増加した。これは、大気の温室効果を増加させ、以下のことをもたらす要因となった。
・地表近くの平均気温は、過去１００年間に約０．５℃上昇し、過去１０年で加速的な傾向にある。
・同期間にわたる降雨量は約１％増加した。
・海水位は、氷河の溶解及び加熱による水の膨張により１５から２０ｃｍ上昇した。
【０００３】
温室ガスの排出量が増加すると、気候の変化が続くと予想される。温度は次の５０年間に０．６から２．５℃だけ上昇することがありうる。科学界では、化石燃料の使用の増加が、ＣＯ２の排出が指数関数的に増加する状態で自然のＣＯ２の平衡を変化させたという意見で一致し、したがってこれがこの開発の直接の理由である。
【０００４】
大気のＣＯ２含有量を安定させる処置をただちに講ずることが重要である。これは、火力発電プラントで生成されるＣＯ２が回収され、安全に貯蔵される場合に達成され得る。この回収は大気へのＣＯ２排出量制御の総費用の３／４に相当するものと考えられている。
【０００５】
通常、火力発電プラントからの排出ガスは容積で４〜１０％のＣＯ２を含み、通常、その最小値はガスタービンで、一方、その最大値は、例えば蒸気の生産における、冷却装置を備えた燃焼室でのみ達せられる。
【０００６】
吸収を用いてＣＯ２含有ガスからＣＯ２を捕捉することは良く知られている（例えば、特許文献１参照）。このＣＯ２含有ガスは、ここで吸収剤、通常はガスからＣＯ２を吸収するアミン溶液に接触させられる。このアミン溶液は、その後このアミン溶液を加熱することによって再生される。しかしながら、この吸収はＣＯ２の分圧によって決まる。この分圧が低すぎる場合、ＣＯ２全体の相対的に小さな部分だけが吸収される。通常、燃焼ガス中のＣＯ２の分圧は比較的低く、ガスタービンに対して０．０４ｂａｒの値が典型的である。この種のプラントでのエネルギー消費は、給送ガス中のＣＯ２の分圧が１．５ｂａｒの場合よりＣＯ２重量単位当り約３倍高い。この洗浄プラントは高価になり、洗浄の範囲及び発電プラントのサイズは限定的要因である。
【０００７】
したがって、この開発事業はＣＯ２分圧の増加に集中される。特許文献２によれば、ガスタービンにわたって膨張し冷却された燃焼ガスが再加圧される。次いで、この加圧ガスは吸収剤に接触される。この方法で、ＣＯ２の分圧が、例えば０．５ｂａｒ上昇され、洗浄がより効率的になる。本質的な欠点は、ガス中の酸素の分圧が、例えば１．５ｂａｒ高くなることであり、一方、通常アミンが約０．２ｂａｒの上の酸素分圧で急速に劣化される。さらに、高価で余分な装置が必要とされる。
【０００８】
ＣＯ２の分圧を上昇させる別の可能性は、空気分離である。燃焼装置の中に入る空気を酸素及び窒素に分離することによって、循環するＣＯ２が、ガスタービン複合サイクル又は石炭を燃料とする発電プラントでそれぞれ推進剤（ガスタービンに対して）又は冷却ガス（石炭を燃料とするボイラに対して）として用いられ得る。形成されたＣＯ２を希薄化させる窒素がない場合、排気ガス中のＣＯ２は、比較的高い分圧、約１ｂａｒ以下を有することになる。次いで、燃焼からの余分なＣＯ２は、ＣＯ２回収のための装置が簡素化できるように比較的簡単に析出され得る。しかしながら、この種のシステムの総費用は、発電プラントに加えて酸素の生産のための実質的なプラントを有する必要があるので、比較的高くなる。純粋酸素の生産及び燃焼は、材料の大きな需要に加えて考慮すべき安全上の課題を意味する。これはまた、多くの場合新しいタービンの開発を必要となるだろう。
【０００９】
特許文献３から、燃焼を高圧下で行わせ、蒸気の生成によって燃焼ガスを冷却し、この燃焼ガスを貯蔵のためのＣＯ２の豊富な流れと、ＣＯ２不足の流れとに分割し、このＣＯ２不足の流れが大気に放出される前にタービンにわたって膨張させられることが知られている。しかしながら、そこで問題になっているプラントは、ガスを燃料とするプラントであり、燃料として石炭を用いることに関して言及してない。
【００１０】
特許文献４は、ガスを燃料とする火力発電プラントからの燃焼ガスをＣＯ２の豊富な流れと、ＣＯ２不足の流れとに分離するための方法に関する。この発電プラントからの燃焼ガスは、ここで２次の連結した発電プラント及び分離プラントで酸素含有ガスとして用いられる。
【００１１】
上述の方法は、ほとんど天然ガスを燃料とする発電プラントに関する。しかしながら、現在、石炭は、火力発電プラントのために天然ガスより広く用いられている燃料である。石炭を燃料とする火力発電プラントは、天然ガスベースのプラントより電力単位当りでより多くのＣＯ２をさらに生産する。さらに、石炭は利用可能性が容易で、天然ガスに比べて廉価な燃料である。
【００１２】
微粉炭など石炭ベースの燃料の加圧燃焼室内への導入は、技術的課題と関連する。炭粉塵に対する推進剤として空気を用いると、燃焼室に入る前に燃焼が開始される爆発性混合物を与えることになり、空気と石炭を混合する手段、あるいは連結管路又は燃焼室で爆発をもたらすことさえあり得る。窒素など不活性ガスを用いることは別の可能性であるが、窒素の純化はプラントに受け入れがたい費用を加えることになる。さらに窒素を加えると、総ガス流量を増加させ、燃焼ガス中のＣＯ２の分圧の低下をもたらすことになり、これはＣＯ２の分離の欠点となる。
【００１３】
いわゆるＰＦＢＣプロセスによると、微粉炭は、水と混合され、燃焼室内に圧入されるペースト状の混合物をもたらす。この水／石炭ペースト混合物は、この流体を送出し、それによってボイラの燃焼圧に打ち勝つために必要とされる。このペースト中の水分は、結果として生じる効率損失を伴い蒸発することになる。この水／石炭ペーストを発火させるために、流動床燃焼器が必要とされる。これは大きく高価な設備である。さらに、この流動床は、ほぼ２ｂａｒ程度の著しい圧力降下をもたらす。これは下流のタービン出力を低減させる。
【特許文献１】欧州特許第０５５１８７６号明細書
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２０００／４８７０９号パンフレット
【特許文献３】国際公開第ＷＯ２００４／００１３０１号パンフレット
【特許文献４】国際公開第ＷＯ２００４／０２６４４５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、石炭ベースの燃料から電力を生成するための費用効果に優れる方法の必要性がある。この方法では、燃焼ガスは、貯蔵のためのＣＯ２の豊富な流れと、周囲環境中に放出され得るＣＯ２不足の流れとに分離される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の態様によると、本発明は、主として石炭ベースの燃料から電力を生成するための方法に関し、この方法では、石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスが燃焼室内に導入されて高圧で燃焼され、燃焼ガスが電力の生産のための蒸気の生成によって燃焼室内で冷却され、燃焼ガスが、さらに冷却され、ＣＯ２捕捉ユニットの中でＣＯ２の豊富な流れと、ＣＯ２不足の流れとに分離され、ＣＯ２不足の流れが、周囲環境中に放出される前に電力を生産するために再加熱されてタービンにわたって膨張させられ、ＣＯ２の豊富な流れが、貯蔵又は移出のための流れと、燃焼室に再循環される流れとに分割される。この燃焼室には、再循環されたＣＯ２が微粉炭を燃焼区画に持ち込むために用いられる。微粉炭がＣＯ２の代わりに空気によってボイラに給送される場合、激しい爆発の危険がある。空気の代わりにＣＯ２を用いることによって、爆発の危険が除去される。さらに、流動床反応器に関して言及された圧力降下は消滅する。
【００１６】
１つの好ましい実施形態によると、燃焼室に再循環されるＣＯ２の豊富な流れの少なくとも一部が、燃焼室に導入される前に石炭ベースの燃料と混合され、石炭ベースの燃料ともに燃焼室内に噴射される。燃焼室に再循環されるＣＯ２の豊富な流れは、安定した石炭燃料が燃焼室内への噴射を妨害しないように中間貯蔵手段の中のタンクの中で燃料を流動化するために用いられる。さらに、ＣＯ２の豊富な流れは、燃料をタンクから燃焼室内に圧入するために燃料用の推進剤として用いられ得る。
【００１７】
ＣＯ２不足の流れは、タービンにわたって膨張される前にガスによって発火される２次燃焼室からの燃焼ガスとの熱交換によって加熱されることが好ましい。これは、プラントからのエネルギー出力を最適化し、蒸気が周囲環境中に放出される前に蒸気の膨張によって生産される電気の部分を増加させるために行われる。
【００１８】
この燃焼室の圧力が、５〜３５ｂａｒ、好ましくは１０〜２０ｂａｒ、より好ましくは１２〜１６ｂａｒであればよい。ＣＯ２捕捉装置の中でのＣＯ２の吸収は、低圧より高圧でより効果的である。高圧での燃焼は、エネルギーを消費する圧縮機なしで捕捉装置に高圧で燃焼ガスを供給する。燃焼室内をほぼ完全に発火させ続けることによって、純化されるべき排煙ガスの質量流量は最小化され、ＣＯ２の濃度、したがって分圧はこのようにして最大化される。
【００１９】
この燃焼室から出る燃焼ガス中の温度が、蒸気の生産によって約３５０℃未満に低減されることが好ましい。燃焼室から出る燃焼ガス中の温度を３５０℃未満に維持することによって、通常の品質の鋼がガスをさらに取り扱うための装置の中で用いられ得る。さらに、高エネルギー出力が、電力の生産のために用いられる蒸気として取り出される。
【００２０】
一実施形態によると、天然ガスが燃焼を助長するために燃焼室内に導入される。この燃焼は天然ガスの追加によって助長されるとより効果的になる。
【００２１】
第２の様態によると、本発明は、主として石炭ベースの燃料で発火する火力発電プラントに関し、この火力発電プラントは、燃焼室と、この石炭ベース燃料及び酸素含有ガスを燃焼室内に導入するための手段と、この燃焼室で燃焼ガスを冷却するための冷却手段と、この燃焼ガスをＣＯ２の豊富な流れ及びＣＯ２不足の流れに分離するための手段とを備え、この燃焼室にＣＯ２の豊富な流れの一部を再循環する管路と、貯蔵又は移出のために残りのＣＯ２の豊富な流れを供給するＣＯ２管路とをさらに備える。
【００２２】
この冷却手段が燃焼室内の冷却用コイルであることが好ましく、この冷却手段ではこの冷却用コイルは蒸気の生成によって燃焼ガスを冷却する。燃焼室内側の冷却用コイルは電力の生成のための蒸気が生成されると同時に燃焼ガスを冷却し効率的である。
【００２３】
この火力発電プラントが、電力の生産のために発電機に連結された蒸気タービンをさらに備えることが好ましい。
【００２４】
好ましい実施形態によると、ＣＯ２不足の流れを加熱するための熱の生成のためにガスによって発火される２次燃焼室と、周囲環境中に放出される前に加熱されたＣＯ２不足の流れを膨張させるためのタービンとが用いられる。この流れが周囲環境中に放出される前にこの流れを加熱すると、ガスにエネルギーを加える。その結果、ＣＯ２不足の流れのタービンを越える膨張からの電力の生産は、より効果的になり、このプラントの総効率を改善する。
【００２５】
このＣＯ２不足の流れの膨張のためのタービンが、電力生産のために発電機に連結されていることが好ましい。
【００２６】
第３の様態によると、本発明は、加圧燃焼室内への石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスのためのインジェクタに関し、このインジェクタは、酸素含有ガス用の複数のインジェクタに取り囲まれた微粉炭ベースの燃料及びＣＯ２ガスの混合物の噴射のための中央導管を備える。酸素含有ガス用のインジェクタに取り囲まれた石炭及びＣＯ２の噴射用の中央チューブを有するインジェクタの構造は、石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスの短時間での均質な混合を確実にする。この燃料と酸素含有ガスの短時間での均質な混合は燃焼室内での最適な燃焼を確実にする。
【００２７】
好ましい実施形態によると、インジェクタが、天然ガスを噴射するための１個又は複数のガスインジェクタをさらに備える。天然ガスの形でのさらなる燃料の追加は、燃焼の始動及び燃焼の維持の両方で用いられ得る。燃焼室内の天然ガスの燃焼により、熱が加わると石炭の中のより軽い成分が蒸発しより効率的に燃焼されることが確実になるので、石炭のより良くより最適な燃焼がもたらされる。
【００２８】
らせん状リブがこの中央導管内にさらに設けられ得る。このらせん状リブは、石炭ベースの燃料とＣＯ２の混合物を中央チューブの外で渦巻き運動させることになる。この運動により、石炭ベースの燃料、酸素含有ガス及び全ての加えられた天然ガスのさらなる混合が確実になる。
【００２９】
一実施形態によると、ガスが石炭粉に対して反対方向に回転するように、ガスインジェクタが方向付けられている。この互いに反対方向のガス及び石炭粉の回転により、ガス及び石炭粉の最適な混合が確実になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
天然ガス及び石炭によって発火される火力発電プラントの模範的な実施形態を図１に示す。石炭及び任意選択の石灰石が、それぞれ石炭管路１０及び石灰石管路１１を通って石炭用ミル(mill)１２の中に導入される。この石炭及び任意選択の石灰石は、石炭用ミル１２の中で燃焼室内に給送するのに適した粒子サイズに粉砕された混合物に製粉される。
【００３１】
この粉砕された石炭及び任意選択の石灰石は、運搬手段１３で中間貯蔵手段１４に運ばれる。示した実施形態の中では、中間貯蔵１４は、２個以上の貯蔵ユニットを有し、各ユニットは回分式方法で作動させられる。２個以上のユニットが、燃焼室を連続作動させるために必要である。
【００３２】
各中間貯蔵ユニットは、入口弁１５と、貯蔵タンク１６と、出口弁１７と、を有する。さらに、各ユニットは、ＣＯ２管路１８から導入されるＣＯ２のための１個又は複数個の入口を有する。石炭用ミルからの粉砕された混合物は、中間貯蔵装置に運ばれ、同時に１個の貯蔵タンクの中に充填される。充填されるべきタンク１６用の入口弁１５は開けられ、出口弁１７は閉められる。空気は、タンク１６の充填の間又は後、空気及び炭粉塵の危険な混合物の生成を避けるためにＣＯ２管路１８からのＣＯ２を用いてタンクからパージされることが好ましい。
【００３３】
このＣＯ２は、ＣＯ２弁１９を用いて制御される。このタンクを充填し、タンクからの空気をパージした後、入口弁１５は閉められる。タンクの中の混合物が燃焼室２５の中に導入されるべき前に、ＣＯ２は、タンクに燃焼の圧力より高い、例えば０．７ｂａｒ以上など０．５から１ｂａｒの圧力を与えるためにタンクの中に充填される。
【００３４】
一実施形態によると、タンクの中のＣＯ２入口が、タンクの中の混合物が入ってくるＣＯ２の流れによって少なくとも部分的に流動化されるように配置される。出口弁１７はその後開けられ、混合物は管路２０を通ってインジェクタ２１に導かれる。この混合物は、ＣＯ２、空気管路２３からの圧縮された酸素含有ガス、及びガス管路２２からの任意選択の天然ガスとともにインジェクタ２１によって燃焼室２５の中に導入される。インジェクタ２１は、図２を参照して以下で詳述する。ガス管路２２からのガスは、燃焼室内の燃焼を促進し、その中の内部燃焼を調整するために用いられる。
【００３５】
酸素含有ガスは、空気、酸素に富む空気、又は酸素であってもよい。説明及び特許請求の範囲の中の用語、空気及び酸素含有ガスは、これらの可能性を説明する同義語として用いられる。
【００３６】
燃焼室２５の中の燃焼は、高圧、例えば５から２５ｂａｒ、より好ましくは約１０〜約２０ｂａｒ、最も好ましくは約１５ｂａｒで起こる。
【００３７】
石炭、及び燃焼ガス中で硫黄剤の結合で生産された硫酸カルシウムからの不燃残留物などの燃焼室内の固体は、燃焼室の底で回収され、固体除去管路２４を通って除去される。
【００３８】
上述の燃焼室２５は、現在好ましい燃焼室である。しかしながら、当分野の技術者ならば他の構造及び作動原則が可能であることが理解されよう。説明した燃焼室は、例えば流動床式燃焼室によって代用され得る。
【００３９】
燃焼から生成された多量の熱は、燃焼室内の冷却用コイル９で蒸気を生成することによって燃焼室から除去される。この熱のほとんどは、燃焼ガス管路３５を通って燃焼室２５から出る燃焼ガスの温度を低減させるために燃焼室の上部から除去される。
【００４０】
冷却用コイル９で生成された蒸気は、蒸気管路２６を通って燃焼室から除去され、発電機２７で電力を生産するためにタービン２８を越えて膨張させられる。膨張した蒸気は、管路２９で凝縮器３０に導かれ、この凝縮器３０の中で膨張したガスは冷却され、凝縮される。凝縮された水は、管路３３を通って燃焼室２５の中の冷却用コイル９の中に再び導入される前に、ポンプ３１によって送出され、予熱器３２の中の熱交換によって予熱される。この回路が非常に複雑である場合があることに留意する必要がある。冷却用コイル９は、２個以上の冷却用コイルに分割されることができ、それぞれが１個又は複数個の蒸気タービンに熱の一部を取り出す。
【００４１】
燃焼ガス管路３５を通って燃焼室２５を出る燃焼ガスは、約３５０℃以下の温度を有することが好ましい。燃焼室を出る燃焼ガス中の３５０℃未満の温度により、管路及び加工装置の構造が比較的廉価な鋼を用いることを可能にし、建造費用が削減される。
【００４２】
管路３５の中の燃焼ガスは燃焼室からの粉塵を含む。この粉塵は燃焼ガスのさらなる加工に有害である場合がある。したがって、この粉塵は、複数のサイクロン及び／又はフィルタ３８を有する粉塵除去ユニット３６で除去される必要がある。
【００４３】
示した粉塵除去ユニット３６は、互いに並列接続の２つの管路を有し、それぞれが直列にいくつかのサイクロン及び／又はフィルタを有する。しかしながら、このユニットは２つ以上の並列接続の管路を有し得る。この粉塵除去ユニットの連続作動を可能にするためには、１つ又は複数の並列接続管路は、これら並列接続管路の少なくとも１つが開けられ常に作動中である限り、洗浄及び点検のために閉鎖され得る。
【００４４】
この並列接続管路の一方の入口側は上流弁３７を用いて閉められ、これに反してこの並列接続管路の他方の側は下流弁４０によって閉められ得る。サイクロン及び／又はフィルタで分離された粉塵は、粉塵除去管路３９を通って除去される。
【００４５】
この粉塵除去ユニットから、粉塵のない燃焼ガスは、管路４１を通って、燃焼室で生成されたＮＯｘを実質的に削減するための選択的触媒還元ユニット（ＳＣＲユニット）に導かれる。ＳＣＲユニット４２の中では、ＮＯｘは、３ＮＯ＋２ＮＨ３＝２．５Ｎ２＋３Ｈ２Ｏの反応によりＮＨ３とともに除去され得る。この洗浄は、大気圧で最大９０％の効率を有するが、通常１０ｂａｒの上の作動圧力がより良いと考えられている。したがって、ＮＯｘを５ｐｐｍ以上の残余含有量に洗浄することが可能である。熱交換器を適合することによって、このガスはこのプロセスに最適な温度を与えられ得る。公知である、他のＮＨ３を用いないでＮＯｘを除去する方法もまた用いられ得る。このＮＨ３方法は、いくつかのＮＨ３「スリップ」をもたらす欠点を有する。
【００４６】
この洗浄されたガスは、管路４３でＳＣＲユニットから出て、熱交換器４４で冷却される。熱交換器４４からは、このガスが管路４６で凝縮器４７の中に導かれる。この凝縮器の中で、ガスはさらに冷却され、凝縮された水がこのガスから除去される。凝縮器から出るガスは、管路４８でＣＯ２捕捉ユニット４９に導かれる。
【００４７】
代替的には、ガス洗浄装置がこの凝縮器の上流に設けられ得る。任意選択のガス洗浄装置の中で、このガスは、水蒸気で飽和させられ、適温で水との向流接触によって冷却される。この洗浄装置は、ＮＯｘ、ＳＯ、他の酸又はガス、及び粒子を含む排煙ガスの流れの複数の残留物を酸化させ、及び／又は吸収するために化学物質を用い得る。この種の化学物質は、アルカリ性溶液、あるいはアルカリ性及び／又は酸化特性を備えた特有の化学物質をもたらすＳＣＲシステムからのＮＨ３「スリップ」であってもよい。後者の場合には、この洗浄装置は、完全にＳＣＲユニット４２に取って代わり得る。
【００４８】
この排煙ガスの純化は、ＣＯ２捕捉吸収剤の中の耐熱性塩の形成を最小化し、経時的なＣＯ２捕捉性能の劣化を最小化するために不可欠である。
【００４９】
通常、ＣＯ２捕捉ユニットは、その中を排煙ガスがアミン、高温炭酸塩、又は物理的な吸収剤などの吸収剤に向流して流れる吸収器を有する。通常、排煙ガス中のＣＯ２の総量は、排煙ガスがＣＯ２不足の流れとして吸収器から出る前に吸収器の中で９０から９９％削減される。吸収されたＣＯ２を有する吸収剤（豊富な吸収剤）は、溶媒／溶媒熱交換器の中で加熱され、ストリッパコラム(stripper column)内で再生される。この再生された溶媒は、この溶媒／溶媒交換器で冷却され、トリムクーラー（trim cooler）内で冷却され、ＣＯ２吸収塔へ戻され、一方、このＣＯ２は、ＣＯ２の豊富な流れとしてストリッパコラムから除去される。図６は模範的なＣＯ２捕捉ユニットを示す。しかしながら、このユニットの詳細設計は用いられる溶媒のタイプに基づく。
【００５０】
ＣＯ２捕捉ユニット４９は、この部分的に洗浄された燃焼ガスを、ＣＯ２管路５１を通ってこのユニットから出るＣＯ２の豊富な流れと、管路５０を通ってこのユニットから出るＣＯ２不足の流れとに分割することが可能などのような種類のユニットであってもよい。管路５１の中のＣＯ２の豊富な流れは、電動機５３によって動力を供給された圧縮機５２の中で約１００ｂａｒの圧力に圧縮される。圧縮されたＣＯ２の豊富な流れの一部は、管路５４から圧縮機を出て、中間貯蔵手段１４用のＣＯ２源として再循環される。残りのＣＯ２は、さらに圧縮され、ＣＯ２管路５５でこのプラントから除去される。
【００５１】
管路５０を通ってＣＯ２捕捉ユニット４９から出るＣＯ２不足の流れは、再加湿機の中に導入され、この再加湿機の中でガスは、管路５７を通って熱交換器４４に導かれる前に加熱され水で飽和され、この熱交換器４４の中でＣＯ２枯渇ガスが管路４３の中の高温ガスに対して加熱される。好ましくは、空気又は別の適したガスが、ＣＯ２不足の流れの熱容量が管路４３の中の燃焼ガスの熱容量とほぼ同じになるように燃焼ガスから除去されたＣＯ２の質量を補うために空気管路７３を通って管路５７（又は、代替的に管路５０）の中に導入される。空気が、空気取入口７０を通ってこのシステムの中に取り入れられ、電動機７２によって動力を供給される圧縮機７１を用いて圧縮される。代替としては、いくらかの圧縮機７８からの空気が、燃焼器２５及び下流の装置を迂回し、管路５０又は管路５７の中に導入され得る。（これは図１に示されない。）
【００５２】
加熱されたＣＯ２不足の流れは、熱交換器４４から管路５８を通って出て、熱交換器５９の中に導入され、この熱交換器５９の中でＣＯ２不足の流れは、２次燃焼室８１から管路８２でこの熱交換器に入る燃焼空気に対して加熱される。２次燃焼室８１は、ガス入口管路８０からの天然ガスによって発火される。２次燃焼室８１の中の燃焼のための酸素は、管路８７を通って２次燃焼室内に導入される。
【００５３】
熱交換器５９からの冷却されたガスは、ＣＯ２除去のために管路４１の中に導かれる管路８６でこの熱交換器から出る。管路８６の中のガスの一部は、管路８３で取り出され、ファン８４及び管路８５を用いて管路８２の中に再循環され得る。管路８３を通る再循環は、管路８２から熱交換器５９を通る加熱されたガスの質量流量を増加させるために用いられる。この熱交換器が２，０００℃以下などの高温に耐える材料で作製されている場合、この再循環は不必要である。
【００５４】
管路６０で熱交換器５９から出る加熱されたＣＯ２不足の流れは、タービン６１を越えて膨張させられる。管路６２を通ってタービン６１から出るこの膨張したＣＯ２不足の流れは、このガス流れが管路６４を通って大気の中に放出される前に、熱交換器６３でさらに冷却される。熱交換器６３は、膨張したＣＯ２不足の流れの中のエネルギーが予熱器６３の中の水を加熱するために用いられるように、燃焼室内の冷却用コイルに入る水を予熱する予熱器３２と同一であってよい。
【００５５】
燃焼室２５及び２次燃焼室８１の両方のための空気は、示した実施形態で空気取入口７５を通ってこのシステムに導入される。空気取入口７５の中の空気は、好ましくは２個の圧縮機７６、７８及び中間冷却器７７を有する２段圧縮機の中で圧縮される。管路７９で圧縮機７８から出る圧縮されたガスは、インジェクタ２１へ導かれる空気管路２３の中へと、２次燃焼室８１の中に導かれる２次空気管路８７の中へとの２つの流れに分けられる。圧縮機７６、７８及び／又はタービン６１の中の漏出は、漏出管路８８によって示される。示した実施形態で圧縮機は、圧縮機７６、７８の両方、電力の生成のためのタービン６１、及び発電機６５に共通の軸６６に配置される。代替としては、低圧タービンが低圧圧縮機７６を駆動し、高圧タービンが発電機６５に加えて高圧圧縮機７８を駆動するように、２段圧縮機７６、７８（図示のように）及び２段タービン６１（低圧段階及び高圧段階、図示せず）であってもよい。
【００５６】
図２ａは、燃焼室を貫く縦断面及びインジェクタ２１の好ましい実施形態を示す。インジェクタ２１は、燃焼室の壁に溶接されたカラー１０１によって支持される。このインジェクタは、カラー１０１の中に挿入され、保持板１００を用いてカラーに締め付けられる。このインジェクタは、石炭の注入のための中央チューブ１０２と、空気インジェクタ１０３と、この中央チューブを取り囲むガスインジェクタ１０４とを有する。カラー１０１は、好ましくはこのカラーを取り囲む冷却用ジャケット１０６で循環する空気入口１０９からの空気を用いて冷却される。好ましくは、冷却用ジャケットの中でカラーを冷却することによって加熱された空気は、管路１０７の中に導かれ、空気インジェクタ１０３の中に導入され、燃焼室内に噴射される。
【００５７】
管路２０を通ってインジェクタ２１に入る石炭、ＣＯ２、及び任意選択の石灰石の混合物は、中央導管１０２の中に導入される。この混合物は、加圧ＣＯ２を用いてチューブを通って吹き飛ばされ、燃焼室内に噴射される。図に示すようにノズルを用いることによって燃焼室内に空気を注入するために、ノズルによって引き起こされるベンチュリ効果が、中央配管から燃焼室内に材料をさらに引き込ませる。
【００５８】
インジェクタ２１から出る高温の燃えているガス／石炭混合物は、燃焼室の壁及び蒸気を加熱するコイル９に有害である場合がある。燃焼室の壁及び蒸気を加熱するコイル９への損傷を避けるために、反射板１１１が、残りの未燃粒子の速度を低減させ、燃焼室の内壁への損傷を避け又は軽減するようにインジェクタ２１の反対側に配置される。好ましくは、この反射板は、ガス管路１１０を通って供給されるＣＯ２を用いて冷却され、このＣＯ２は反射板の後ろ側で冷却用チャネル１１２を通って循環される。２個以上のインジェクタが燃焼室の壁の中に配置される場合は、通常は１個の反射板がインジェクタ毎に配置される。代替としては、この反射板はインジェクタ用に開口部を有する円錐台形であってもよい。
【００５９】
図２ｂは、図２ａのＡ−Ａ断面を示す。中央導管１０２は、複数の空気インジェクタ１０３によって取り囲まれる。ガス管路２２でインジェクタの中に導入される天然ガス噴射用のこれらガスインジェクタは、例示のインジェクタであり、２個以上の空気インジェクタの内側に位置している。中央導管の内壁の複数のらせん状リブ１０５が、石炭混合物を回転させ、したがって燃焼室内で乱気流を引き起こす。この乱気流の生成は、注入された石炭、ガス及び空気の適した混合が燃焼のための最適な状態を確実に促進するために重要である。
【００６０】
図３は、連結したミル及び中間貯蔵装置１４を示す。石炭及び石灰石は、ミル１２に導かれるファンネル(funnel)１５０の中に運搬手段１０、１１、１３で運搬される。このファンネル１５０は、石炭／石灰石のミル１２の中への給送速度を低減させるために複数の内部フラップ１５１を有する。給送速度を低減させると、最適な空気の減少を可能にさせることになる。ミル１２は、２個以上のミルを有することが好ましく、このミルの中で、入ってくる石炭及び石灰石は、初めにミルの中に導入され、その後好ましい粒子サイズをもたらすために細かいミルの中に導入される。
【００６１】
ミル、及びファンネルの下部は、石炭の粉塵及び酸素の混合物が爆発性であることがあるので、石炭及び石灰石とともに運ばれる酸素又は空気の量を低減させるためにパージ管路１５２から入るＣＯ２によってパージされることが好ましい。パージ管路の中のＣＯ２の流れは、弁１５３によって制御される。
【００６２】
このミルから、石炭及び石灰石の粉塵は、アルキメデスねじ１３によってタンク１６に垂直に給送される。運搬装置１３とタンク１６の間に挿入された弁１５は、このタンクが石炭及び石灰石の粉塵で一杯であるとき、タンクの入口を閉めるために用いられる。タンク１６が燃焼室内で空にされるとき、弁１５は閉められ、ＣＯ２がタンクの上部での弁１５５で制御されるＣＯ２管路１５４を通って、及び／又は弁１５８によって制御されるＣＯ２管路１５７を通ってタンクの中に導入される。管路１５４かそれとも管路１５７を通るＣＯ２の導入は、タンクの中の圧力を高める。このタンクの中の圧力は、燃焼室内の圧力より高い圧力に高められる。タンクの中の圧力は燃焼室内より０．５から１ｂａｒ高いことが好ましい。タンクの底に近い管路１５７を通るＣＯ２の導入は、タンクの内容物を少なくとも部分的に流動化させる。次いで、管路２０の中の弁１７が開けられ、上述のようにＣＯ２、石炭の粉塵及び石灰石の混合物が、管路２０、インジェクタ２１を通り、燃焼室内に押し出される。タンク１６が空になった後、弁１７は再び閉められ、弁１５は開けられ、タンクは再び上述のように粉塵で充填される。
【００６３】
図４は、２次燃焼室８１、熱交換器５９、及びそれらを連結する管路の代用のための連結した２次燃焼室及び熱交換器２００を示す。この連結により、熱効率がより良くなり、連結管路の使用がなくされるか又は削減される。
【００６４】
空気及び天然ガスは、それぞれ空気管路２０３及びガス管路２０２を通って燃焼室２０１の中に導入される。ＣＯ２は、燃焼室の上部を冷却するためにＣＯ２管路２０４から冷却用ジャケット２０５を通って導入され、燃焼室内のガスの組成を調整するために燃焼室内に放出される。燃焼の中で燃えるガスは、燃焼室内で下方に押され、燃焼室の底の近くの開口部２０６を通って押し出される。燃焼室からの暖かい排煙ガスは、燃焼室を取り囲む排煙ガス室の中で循環される。排煙ガス室の高温の排煙ガスは、入口２１２を通ってこの装置に入る管路５８からのＣＯ２不足の流れとの熱交換によって冷却される。このＣＯ２不足の流れは、排煙ガス室２０７の外壁と熱交換器シェル２１０の間に画成された循環空間の中を循環する。
【００６５】
２次燃焼室２０１からの排煙ガスは、排煙ガス出口２０８を通って装置から出て、管路８６の中に導入される。この加熱されたＣＯ２不足の流れは、この装置から熱交換器出口２１３を通って管路６０の中に出る。管路２０３の中に導入されるべき空気は、空気が熱交換器シェル２１０の少なくとも一部を取り囲むジャケット２１６の空気入口の中に導入されるとき、ＣＯ２不足の流れとの熱交換によって予熱されることが好ましい。この加熱された空気は、空気出口２１７を通って除去され、空気管路２０３の中に導入される。
【００６６】
この連結した燃焼室及び熱交換器は、連結装置により小型の構造をもたらす。この装置の燃焼室と熱交換部とを分離する壁の間の高い温度差は、比較的狭い熱交換領域の必要性をもたらす。
【００６７】
図５は、ＣＯ２用の貯蔵手段２５０を有する中間貯蔵手段１４の実施形態を示す。ＣＯ２貯蔵手段２５０は、ＣＯ２貯蔵タンク２５５と、電動機２６３よって運転される圧縮機２５９と、粉塵フィルタ２５２と、連結管路２５７、２６１と、このシステム内の流れを制御するいくつかの弁２５３、２５４、２５８、２６０、２６２とを有する。ＣＯ２貯蔵手段２５０は、任意選択弁２５１を用いて中間貯蔵手段１４から閉められ得る。
【００６８】
タンク２５５の中で加圧下のＣＯ２がタンク１６、１６’又は１６’’の１つの中に充填されるべきとき、タンク１６に連結された弁、すなわち２４８、２４８’又は２４８’’が開けられる。次いで、タンク２５５の中のガスが管路２５６、２６１、及び２４９、２４９’又は２４９’’を通って流れることを可能にするために弁２５６、２６２が開けられる。タンク２５５からタンク１６、１６’又は１６’’への流れがより低い圧力差により低減されると、弁２５６は閉められ、弁２５４、２６０、２５８が開けられ、タンク２５５からのＣＯ２は、タンク２５５の中の圧力がほぼ外気圧になるまで圧縮機２５９によって圧縮される。その後、全ての弁２５３、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２４８は閉められる。
【００６９】
タンク１６、１６’又は１６’’からタンク２５５の中に余分なＣＯ２を充填するためには、対応する弁２４８、２４８’又は２４８’’は、開けられる。次いで、ＣＯ２は、弁２５３、２５４を開けることによってタンク１６、１６’又は１６’’からフィルタ２５２を通ってタンク２５５の中に流れることが可能にされる。この流れが、タンク間の圧力差の低下により低減されると、弁２５４は閉められ、弁２６０、２５８、２５６は開けられ、タンク１６、１６’又は１６’’からのガスは、圧縮され、一時的な貯蔵のためタンク２５５に導かれる。タンク１６、１６’又は１６’’の中の圧力がほぼ大気圧になると、全ての弁２４８、２４８’、２４８’’、２５３、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２は閉められる。
【００７０】
ＣＯ２は、タンク１６からの管路１５４、１５７、又は１８などタンクの中へのどれかのＣＯ２管路を通ってタンク１６の中に導入されるか又は除去されることができ、管路２４９は例示的であり、単独に、又は連結して上述の管路のいずれかを補うことができることが当分野の技術者には明白であろう。
【００７１】
図６は、模範的で少し簡素化されたＣＯ２捕捉ユニット４９を示す。冷却された燃焼ガスは、管路４８を通ってユニット４９に入り、吸収器３００の底近くで中に導入される。洗浄された燃焼ガスは、吸収器の上部に近くの管路５０で吸収器３００から出る。アミン又は高温炭酸塩溶液など吸収剤が、吸収器の上部近くの管路３０１を通って吸収器の中に導入され、吸収器の底近くの管路３０２を通って豊富な吸収剤（ＣＯ２の豊富な）として吸収器から出る。吸収器を通って洗浄され吸収されるべきガスの対向流は、ＣＯ２の吸収のための最適な条件を確実にする。
【００７２】
管路３０２の中のこの豊富な吸収剤は、その上部近くのストリッピングコラム(stripping column)３０５の中に導入される前に、熱交換器３０３で再生された（リーンな）吸収剤に対して加熱される。このストリッピングコラムの中の温度は、吸収器３００の中の温度より高く、圧力は吸収器３００の中の圧力より低く、これによりＣＯ２を吸収剤から放出させる。吸収剤から放出されたＣＯ２は、ＣＯ２管路３０６を通ってストリッピングコラムから除去される。管路３０６の中のＣＯ２は、管路５１を通ってＣＯ２捕捉ユニットから出るＣＯ２の豊富な流れの中の湿気を除去するために還流凝縮器３０７の中で冷却される。還流凝縮器３０７の中で凝縮された湿気は、還流管路３０８でストリッピングコラムに戻される。
【００７３】
この揮散されたか又はリーンな吸収剤は、管路３０１でストリッピングコラム３０５から底近くで取り出される。管路３０１の中のこのリーンな吸収剤は、吸収器３００の中に再び入れられる前に、熱交換器３０３及び冷却器３１１の中で冷却される。このリーンな吸収剤の一部は、加熱されたリーンな吸収剤がストリッピングコラム３０５の中に再導入される前に、リボイラ３１０の中で加熱される加熱回路３０９の中に取り出され得る。
【００７４】
図１による模範的なプラントでは、温度、圧力、質量流量に対する重要な数値が、次の通りであってもよい。
【００７５】
【表１】
【００７６】
当業界の技術者ならば、言及された熱交換器、タービン、圧縮機及び同種のものが２つ以上の並列及び／又は直列して連結される装置を意味することが理解されよう。さらに、２個以上の並列が言及された場合、並列の数は例示された実施形態とは異なることがある。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の好ましい実施形態の概略図である。
【図２ａ】本発明によるインジェクタを貫く縦断面図である。
【図２ｂ】図２ａのＡ−Ａの断面図である。
【図３】本発明によるプラント用の模範的な粉砕及び中間燃料貯蔵装置を示す図である。
【図４】本発明によるプラント用の連結した熱交換器及び２次燃焼室を貫く縦断面図である。
【図５】中間燃料貯蔵装置及びＣＯ２を処理する手段の概略図である。
【図６】模範的なＣＯ２捕捉ユニットを示す概略図である。
【符号の説明】
【００７８】
９ 冷却用コイル
１０ 石炭管路
１１ 石灰石管路
１２ 石炭用ミル
１３ 運搬手段、アルキメデスねじ、運搬装置
１４ 中間貯蔵手段
１５ 入口弁
１６ 貯蔵タンク
１７ 出口弁
１８ ＣＯ２管路
１９ ＣＯ２弁
２０ 管路
２１ インジェクタ
２２ ガス管路
２３ 空気管路
２４ 固体除去管路
２５ 燃焼室
２６ 蒸気管路
２７ 発電機
２８ タービン
２９ 管路
３０ 凝縮器
３１ ポンプ
３２ 予熱器
３３ 管路
３５ 燃焼ガス管路
３６ 粉塵除去ユニット
３７ 上流弁
３８ サイクロン及び／又はフィルタ
３９ 粉塵除去管路
４０ 下流弁
４１ 管路
４２ ＳＣＲユニット
４３ 管路
４４ 熱交換器
４６ 管路
４７ 凝縮器
４８ 管路
４９ ＣＯ２捕捉ユニット
５０ 管路
５１ ＣＯ２管路
５２ 圧縮機
５３ 電動機
５４ 管路
５５ ＣＯ２管路
５７ 管路
５８ 管路
５９ 熱交換器
６０ 管路
６１ タービン、２段タービン
６２ 管路
６３ 熱交換器
６４ 管路
６５ 発電機
６６ 軸
７０ 空気取入口
７１ 圧縮機
７２ 電動機
７３ 空気管路
７５ 空気取入口
７６ 圧縮機、低圧圧縮機
７７ 中間冷却器
７８ 圧縮機、高圧圧縮機
７９ 管路
８０ ガス入口管路
８１ ２次燃焼室
８２ 管路
８３ 管路
８４ ファン
８５ 管路
８６ 管路
８７ ２次空気管路
８８ 漏出管路
１００ 保持板
１０１ カラー
１０２ 中央チューブ、中央導管
１０３ 空気インジェクタ
１０４ ガスインジェクタ
１０５ らせん状リブ
１０６ 冷却用ジャケット
１０７ 管路
１０９ 空気入口
１１０ ガス管路
１１１ 反射板
１１２ 冷却用チャネル
１５０ ファンネル
１５１ 内部フラップ
１５２ パージ管路
１５３ 弁
１５４ ＣＯ２管路
１５５ 弁
１５７ ＣＯ２管路
１５８ 弁
２００ 連結した２次燃焼室及び熱交換器
２０１ ２次燃焼室
２０２ ガス管路
２０３ 空気管路
２０４ ＣＯ２管路
２０５ 冷却用ジャケット
２０６ 開口部
２０７ 排煙ガス室
２０８ 排煙ガス出口
２１０ 熱交換器シェル
２１２ 入口
２１３ 熱交換器出口
２１６ ジャケット
２１７ 空気出口
２４８ 弁
２４９ 管路
２５０ ＣＯ２貯蔵手段
２５１ 任意選択弁
２５２ 粉塵フィルタ
２５３ 弁
２５４ 弁
２５５ ＣＯ２貯蔵タンク
２５６ 弁、管路
２５７ 連結管路
２５８ 弁
２５９ 圧縮機
２６０ 弁
２６１ 連結管路
２６２ 弁
２６３ 電動機
３００ 吸収器
３０１ 管路
３０２ 管路
３０３ 熱交換器
３０５ ストリッピングコラム
３０６ ＣＯ２管路
３０７ 還流凝縮器
３０８ 還流管路
３０９ 加熱回路
３１０ リボイラ
３１１ 冷却器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として石炭ベースの燃料から電力を生成するための方法に関し、この方法では燃焼ガスが例えば安全な貯蔵のために移出されるＣＯ２の豊富な流れと、周囲環境中に放出されるＣＯ２不足の流れとに分離される。さらに、本発明は、この方法を実行するプラント及びこのプラントの一部に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中のＣＯ２濃度は、主として石炭及び炭化水素など化石燃料の燃焼により過去１５０年でほぼ３０％増加した。メタンの濃度は倍増し、窒素酸化物の濃度は約１５％増加した。これは、大気の温室効果を増加させ、以下のことをもたらす要因となった。
・地表近くの平均気温は、過去１００年間に約０．５℃上昇し、過去１０年で加速的な傾向にある。
・同期間にわたる降雨量は約１％増加した。
・海水位は、氷河の溶解及び加熱による水の膨張により１５から２０ｃｍ上昇した。
【０００３】
温室ガスの排出量が増加すると、気候の変化が続くと予想される。温度は次の５０年間に０．６から２．５℃だけ上昇することがありうる。科学界では、化石燃料の使用の増加が、ＣＯ２の排出が指数関数的に増加する状態で自然のＣＯ２の平衡を変化させたという意見で一致し、したがってこれがこの開発の直接の理由である。
【０００４】
大気のＣＯ２含有量を安定させる処置をただちに講ずることが重要である。これは、火力発電プラントで生成されるＣＯ２が回収され、安全に貯蔵される場合に達成され得る。この回収は大気へのＣＯ２排出量制御の総費用の３／４に相当するものと考えられている。
【０００５】
通常、火力発電プラントからの排出ガスは容積で４〜１０％のＣＯ２を含み、通常、その最小値はガスタービンで、一方、その最大値は、例えば蒸気の生産における、冷却装置を備えた燃焼室でのみ達せられる。
【０００６】
吸収を用いてＣＯ２含有ガスからＣＯ２を捕捉することは良く知られている（例えば、特許文献１参照）。このＣＯ２含有ガスは、ここで吸収剤、通常はガスからＣＯ２を吸収するアミン溶液に接触させられる。このアミン溶液は、その後このアミン溶液を加熱することによって再生される。しかしながら、この吸収はＣＯ２の分圧によって決まる。この分圧が低すぎる場合、ＣＯ２全体の相対的に小さな部分だけが吸収される。通常、燃焼ガス中のＣＯ２の分圧は比較的低く、ガスタービンに対して０．０４ｂａｒの値が典型的である。この種のプラントでのエネルギー消費は、給送ガス中のＣＯ２の分圧が１．５ｂａｒの場合よりＣＯ２重量単位当り約３倍高い。この洗浄プラントは高価になり、洗浄の範囲及び発電プラントのサイズは限定的要因である。
【０００７】
したがって、この開発事業はＣＯ２分圧の増加に集中される。特許文献２によれば、ガスタービンにわたって膨張し冷却された燃焼ガスが再加圧される。次いで、この加圧ガスは吸収剤に接触される。この方法で、ＣＯ２の分圧が、例えば０．５ｂａｒ上昇され、洗浄がより効率的になる。本質的な欠点は、ガス中の酸素の分圧が、例えば１．５ｂａｒ高くなることであり、一方、通常アミンが約０．２ｂａｒの上の酸素分圧で急速に劣化される。さらに、高価で余分な装置が必要とされる。
【０００８】
ＣＯ２の分圧を上昇させる別の可能性は、空気分離である。燃焼装置の中に入る空気を酸素及び窒素に分離することによって、循環するＣＯ２が、ガスタービン複合サイクル又は石炭を燃料とする発電プラントでそれぞれ推進剤（ガスタービンに対して）又は冷却ガス（石炭を燃料とするボイラに対して）として用いられ得る。形成されたＣＯ２を希薄化させる窒素がない場合、排気ガス中のＣＯ２は、比較的高い分圧、約１ｂａｒ以下を有することになる。次いで、燃焼からの余分なＣＯ２は、ＣＯ２回収のための装置が簡素化できるように比較的簡単に析出され得る。しかしながら、この種のシステムの総費用は、発電プラントに加えて酸素の生産のための実質的なプラントを有する必要があるので、比較的高くなる。純粋酸素の生産及び燃焼は、材料の大きな需要に加えて考慮すべき安全上の課題を意味する。これはまた、多くの場合新しいタービンの開発を必要となるだろう。
【０００９】
特許文献３から、燃焼を高圧下で行わせ、蒸気の生成によって燃焼ガスを冷却し、この燃焼ガスを貯蔵のためのＣＯ２の豊富な流れと、ＣＯ２不足の流れとに分割し、このＣＯ２不足の流れが大気に放出される前にタービンにわたって膨張させられることが知られている。しかしながら、そこで問題になっているプラントは、ガスを燃料とするプラントであり、燃料として石炭を用いることに関して言及してない。
【００１０】
特許文献４は、ガスを燃料とする火力発電プラントからの燃焼ガスをＣＯ２の豊富な流れと、ＣＯ２不足の流れとに分離するための方法に関する。この発電プラントからの燃焼ガスは、ここで２次の連結した発電プラント及び分離プラントで酸素含有ガスとして用いられる。
【００１１】
上述の方法は、ほとんど天然ガスを燃料とする発電プラントに関する。しかしながら、現在、石炭は、火力発電プラントのために天然ガスより広く用いられている燃料である。石炭を燃料とする火力発電プラントは、天然ガスベースのプラントより電力単位当りでより多くのＣＯ２をさらに生産する。さらに、石炭は利用可能性が容易で、天然ガスに比べて廉価な燃料である。
【００１２】
微粉炭など石炭ベースの燃料の加圧燃焼室内への導入は、技術的課題と関連する。炭粉塵に対する推進剤として空気を用いると、燃焼室に入る前に燃焼が開始される爆発性混合物を与えることになり、空気と石炭を混合する手段、あるいは連結管路又は燃焼室で爆発をもたらすことさえあり得る。窒素など不活性ガスを用いることは別の可能性であるが、窒素の純化はプラントに受け入れがたい費用を加えることになる。さらに窒素を加えると、総ガス流量を増加させ、燃焼ガス中のＣＯ２の分圧の低下をもたらすことになり、これはＣＯ２の分離の欠点となる。
【００１３】
いわゆるＰＦＢＣプロセスによると、微粉炭は、水と混合され、燃焼室内に圧入されるペースト状の混合物をもたらす。この水／石炭ペースト混合物は、この流体を送出し、それによってボイラの燃焼圧に打ち勝つために必要とされる。このペースト中の水分は、結果として生じる効率損失を伴い蒸発することになる。この水／石炭ペーストを発火させるために、流動床燃焼器が必要とされる。これは大きく高価な設備である。さらに、この流動床は、ほぼ２ｂａｒ程度の著しい圧力降下をもたらす。これは下流のタービン出力を低減させる。
【特許文献１】欧州特許第０５５１８７６号明細書
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２０００／４８７０９号パンフレット
【特許文献３】国際公開第ＷＯ２００４／００１３０１号パンフレット
【特許文献４】国際公開第ＷＯ２００４／０２６４４５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、石炭ベースの燃料から電力を生成するための費用効果に優れる方法の必要性がある。この方法では、燃焼ガスは、貯蔵のためのＣＯ２の豊富な流れと、周囲環境中に放出され得るＣＯ２不足の流れとに分離される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の態様によると、本発明は、主として石炭ベースの燃料から電力を生成するための方法に関し、この方法では、石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスが燃焼室内に導入されて高圧で燃焼され、燃焼ガスが電力の生産のための蒸気の生成によって燃焼室内で冷却され、燃焼ガスが、さらに冷却され、ＣＯ２捕捉ユニットの中でＣＯ２の豊富な流れと、ＣＯ２不足の流れとに分離され、ＣＯ２不足の流れが、周囲環境中に放出される前に電力を生産するために再加熱されてタービンにわたって膨張させられ、ＣＯ２の豊富な流れが、貯蔵又は移出のための流れと、燃焼室に再循環される流れとに分割される。この燃焼室には、再循環されたＣＯ２が微粉炭を燃焼区画に持ち込むために用いられる。微粉炭がＣＯ２の代わりに空気によってボイラに給送される場合、激しい爆発の危険がある。空気の代わりにＣＯ２を用いることによって、爆発の危険が除去される。さらに、流動床反応器に関して言及された圧力降下は消滅する。
【００１６】
１つの好ましい実施形態によると、燃焼室に再循環されるＣＯ２の豊富な流れの少なくとも一部が、燃焼室に導入される前に石炭ベースの燃料と混合され、石炭ベースの燃料ともに燃焼室内に噴射される。燃焼室に再循環されるＣＯ２の豊富な流れは、安定した石炭燃料が燃焼室内への噴射を妨害しないように中間貯蔵手段の中のタンクの中で燃料を流動化するために用いられる。さらに、ＣＯ２の豊富な流れは、燃料をタンクから燃焼室内に圧入するために燃料用の推進剤として用いられ得る。
【００１７】
ＣＯ２不足の流れは、タービンにわたって膨張される前にガスによって発火される２次燃焼室からの燃焼ガスとの熱交換によって加熱されることが好ましい。これは、プラントからのエネルギー出力を最適化し、蒸気が周囲環境中に放出される前に蒸気の膨張によって生産される電気の部分を増加させるために行われる。
【００１８】
この燃焼室の圧力が、５〜３５ｂａｒ、好ましくは１０〜２０ｂａｒ、より好ましくは１２〜１６ｂａｒであればよい。ＣＯ２捕捉装置の中でのＣＯ２の吸収は、低圧より高圧でより効果的である。高圧での燃焼は、エネルギーを消費する圧縮機なしで捕捉装置に高圧で燃焼ガスを供給する。燃焼室内をほぼ完全に発火させ続けることによって、純化されるべき排煙ガスの質量流量は最小化され、ＣＯ２の濃度、したがって分圧はこのようにして最大化される。
【００１９】
この燃焼室から出る燃焼ガス中の温度が、蒸気の生産によって約３５０℃未満に低減されることが好ましい。燃焼室から出る燃焼ガス中の温度を３５０℃未満に維持することによって、通常の品質の鋼がガスをさらに取り扱うための装置の中で用いられ得る。さらに、高エネルギー出力が、電力の生産のために用いられる蒸気として取り出される。
【００２０】
一実施形態によると、天然ガスが燃焼を助長するために燃焼室内に導入される。この燃焼は天然ガスの追加によって助長されるとより効果的になる。
【００２１】
第２の様態によると、本発明は、主として石炭ベースの燃料で発火する火力発電プラントに関し、この火力発電プラントは、燃焼室と、この石炭ベース燃料及び酸素含有ガスを燃焼室内に導入するための手段と、この燃焼室で燃焼ガスを冷却するための冷却手段と、この燃焼ガスをＣＯ２の豊富な流れ及びＣＯ２不足の流れに分離するための手段とを備え、この燃焼室にＣＯ２の豊富な流れの一部を再循環する管路と、貯蔵又は移出のために残りのＣＯ２の豊富な流れを供給するＣＯ２管路とをさらに備える。
【００２２】
この冷却手段が燃焼室内の冷却用コイルであることが好ましく、この冷却手段ではこの冷却用コイルは蒸気の生成によって燃焼ガスを冷却する。燃焼室内側の冷却用コイルは電力の生成のための蒸気が生成されると同時に燃焼ガスを冷却し効率的である。
【００２３】
この火力発電プラントが、電力の生産のために発電機に連結された蒸気タービンをさらに備えることが好ましい。
【００２４】
好ましい実施形態によると、ＣＯ２不足の流れを加熱するための熱の生成のためにガスによって発火される２次燃焼室と、周囲環境中に放出される前に加熱されたＣＯ２不足の流れを膨張させるためのタービンとが用いられる。この流れが周囲環境中に放出される前にこの流れを加熱すると、ガスにエネルギーを加える。その結果、ＣＯ２不足の流れのタービンを越える膨張からの電力の生産は、より効果的になり、このプラントの総効率を改善する。
【００２５】
このＣＯ２不足の流れの膨張のためのタービンが、電力生産のために発電機に連結されていることが好ましい。
【００２６】
第３の様態によると、本発明は、加圧燃焼室内への石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスのためのインジェクタに関し、このインジェクタは、酸素含有ガス用の複数のインジェクタに取り囲まれた微粉炭ベースの燃料及びＣＯ２ガスの混合物の噴射のための中央導管を備える。酸素含有ガス用のインジェクタに取り囲まれた石炭及びＣＯ２の噴射用の中央チューブを有するインジェクタの構造は、石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスの短時間での均質な混合を確実にする。この燃料と酸素含有ガスの短時間での均質な混合は燃焼室内での最適な燃焼を確実にする。
【００２７】
好ましい実施形態によると、インジェクタが、天然ガスを噴射するための１個又は複数のガスインジェクタをさらに備える。天然ガスの形でのさらなる燃料の追加は、燃焼の始動及び燃焼の維持の両方で用いられ得る。燃焼室内の天然ガスの燃焼により、熱が加わると石炭の中のより軽い成分が蒸発しより効率的に燃焼されることが確実になるので、石炭のより良くより最適な燃焼がもたらされる。
【００２８】
らせん状リブがこの中央導管内にさらに設けられ得る。このらせん状リブは、石炭ベースの燃料とＣＯ２の混合物を中央チューブの外で渦巻き運動させることになる。この運動により、石炭ベースの燃料、酸素含有ガス及び全ての加えられた天然ガスのさらなる混合が確実になる。
【００２９】
一実施形態によると、ガスが石炭粉に対して反対方向に回転するように、ガスインジェクタが方向付けられている。この互いに反対方向のガス及び石炭粉の回転により、ガス及び石炭粉の最適な混合が確実になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
天然ガス及び石炭によって発火される火力発電プラントの模範的な実施形態を図１に示す。石炭及び任意選択の石灰石が、それぞれ石炭管路１０及び石灰石管路１１を通って石炭用ミル(mill)１２の中に導入される。この石炭及び任意選択の石灰石は、石炭用ミル１２の中で燃焼室内に給送するのに適した粒子サイズに粉砕された混合物に製粉される。
【００３１】
この粉砕された石炭及び任意選択の石灰石は、運搬手段１３で中間貯蔵手段１４に運ばれる。示した実施形態の中では、中間貯蔵１４は、２個以上の貯蔵ユニットを有し、各ユニットは回分式方法で作動させられる。２個以上のユニットが、燃焼室を連続作動させるために必要である。
【００３２】
各中間貯蔵ユニットは、入口弁１５と、貯蔵タンク１６と、出口弁１７と、を有する。さらに、各ユニットは、ＣＯ２管路１８から導入されるＣＯ２のための１個又は複数個の入口を有する。石炭用ミルからの粉砕された混合物は、中間貯蔵装置に運ばれ、同時に１個の貯蔵タンクの中に充填される。充填されるべきタンク１６用の入口弁１５は開けられ、出口弁１７は閉められる。空気は、タンク１６の充填の間又は後、空気及び炭粉塵の危険な混合物の生成を避けるためにＣＯ２管路１８からのＣＯ２を用いてタンクからパージされることが好ましい。
【００３３】
このＣＯ２は、ＣＯ２弁１９を用いて制御される。このタンクを充填し、タンクからの空気をパージした後、入口弁１５は閉められる。タンクの中の混合物が燃焼室２５の中に導入されるべき前に、ＣＯ２は、タンクに燃焼の圧力より高い、例えば０．７ｂａｒ以上など０．５から１ｂａｒの圧力を与えるためにタンクの中に充填される。
【００３４】
一実施形態によると、タンクの中のＣＯ２入口が、タンクの中の混合物が入ってくるＣＯ２の流れによって少なくとも部分的に流動化されるように配置される。出口弁１７はその後開けられ、混合物は管路２０を通ってインジェクタ２１に導かれる。この混合物は、ＣＯ２、空気管路２３からの圧縮された酸素含有ガス、及びガス管路２２からの任意選択の天然ガスとともにインジェクタ２１によって燃焼室２５の中に導入される。インジェクタ２１は、図２を参照して以下で詳述する。ガス管路２２からのガスは、燃焼室内の燃焼を促進し、その中の内部燃焼を調整するために用いられる。
【００３５】
酸素含有ガスは、空気、酸素に富む空気、又は酸素であってもよい。説明及び特許請求の範囲の中の用語、空気及び酸素含有ガスは、これらの可能性を説明する同義語として用いられる。
【００３６】
燃焼室２５の中の燃焼は、高圧、例えば５から２５ｂａｒ、より好ましくは約１０〜約２０ｂａｒ、最も好ましくは約１５ｂａｒで起こる。
【００３７】
石炭、及び燃焼ガス中で硫黄剤の結合で生産された硫酸カルシウムからの不燃残留物などの燃焼室内の固体は、燃焼室の底で回収され、固体除去管路２４を通って除去される。
【００３８】
上述の燃焼室２５は、現在好ましい燃焼室である。しかしながら、当分野の技術者ならば他の構造及び作動原則が可能であることが理解されよう。説明した燃焼室は、例えば流動床式燃焼室によって代用され得る。
【００３９】
燃焼から生成された多量の熱は、燃焼室内の冷却用コイル９で蒸気を生成することによって燃焼室から除去される。この熱のほとんどは、燃焼ガス管路３５を通って燃焼室２５から出る燃焼ガスの温度を低減させるために燃焼室の上部から除去される。
【００４０】
冷却用コイル９で生成された蒸気は、蒸気管路２６を通って燃焼室から除去され、発電機２７で電力を生産するためにタービン２８を越えて膨張させられる。膨張した蒸気は、管路２９で凝縮器３０に導かれ、この凝縮器３０の中で膨張したガスは冷却され、凝縮される。凝縮された水は、管路３３を通って燃焼室２５の中の冷却用コイル９の中に再び導入される前に、ポンプ３１によって送出され、予熱器３２の中の熱交換によって予熱される。この回路が非常に複雑である場合があることに留意する必要がある。冷却用コイル９は、２個以上の冷却用コイルに分割されることができ、それぞれが１個又は複数個の蒸気タービンに熱の一部を取り出す。
【００４１】
燃焼ガス管路３５を通って燃焼室２５を出る燃焼ガスは、約３５０℃以下の温度を有することが好ましい。燃焼室を出る燃焼ガス中の３５０℃未満の温度により、管路及び加工装置の構造が比較的廉価な鋼を用いることを可能にし、建造費用が削減される。
【００４２】
管路３５の中の燃焼ガスは燃焼室からの粉塵を含む。この粉塵は燃焼ガスのさらなる加工に有害である場合がある。したがって、この粉塵は、複数のサイクロン及び／又はフィルタ３８を有する粉塵除去ユニット３６で除去される必要がある。
【００４３】
示した粉塵除去ユニット３６は、互いに並列接続の２つの管路を有し、それぞれが直列にいくつかのサイクロン及び／又はフィルタを有する。しかしながら、このユニットは２つ以上の並列接続の管路を有し得る。この粉塵除去ユニットの連続作動を可能にするためには、１つ又は複数の並列接続管路は、これら並列接続管路の少なくとも１つが開けられ常に作動中である限り、洗浄及び点検のために閉鎖され得る。
【００４４】
この並列接続管路の一方の入口側は上流弁３７を用いて閉められ、これに反してこの並列接続管路の他方の側は下流弁４０によって閉められ得る。サイクロン及び／又はフィルタで分離された粉塵は、粉塵除去管路３９を通って除去される。
【００４５】
この粉塵除去ユニットから、粉塵のない燃焼ガスは、管路４１を通って、燃焼室で生成されたＮＯｘを実質的に削減するための選択的触媒還元ユニット（ＳＣＲユニット）に導かれる。ＳＣＲユニット４２の中では、ＮＯｘは、３ＮＯ＋２ＮＨ３＝２．５Ｎ２＋３Ｈ２Ｏの反応によりＮＨ３とともに除去され得る。この洗浄は、大気圧で最大９０％の効率を有するが、通常１０ｂａｒの上の作動圧力がより良いと考えられている。したがって、ＮＯｘを５ｐｐｍ以上の残余含有量に洗浄することが可能である。熱交換器を適合することによって、このガスはこのプロセスに最適な温度を与えられ得る。公知である、他のＮＨ３を用いないでＮＯｘを除去する方法もまた用いられ得る。このＮＨ３方法は、いくつかのＮＨ３「スリップ」をもたらす欠点を有する。
【００４６】
この洗浄されたガスは、管路４３でＳＣＲユニットから出て、熱交換器４４で冷却される。熱交換器４４からは、このガスが管路４６で凝縮器４７の中に導かれる。この凝縮器の中で、ガスはさらに冷却され、凝縮された水がこのガスから除去される。凝縮器から出るガスは、管路４８でＣＯ２捕捉ユニット４９に導かれる。
【００４７】
代替的には、ガス洗浄装置がこの凝縮器の上流に設けられ得る。任意選択のガス洗浄装置の中で、このガスは、水蒸気で飽和させられ、適温で水との向流接触によって冷却される。この洗浄装置は、ＮＯｘ、ＳＯ、他の酸又はガス、及び粒子を含む排煙ガスの流れの複数の残留物を酸化させ、及び／又は吸収するために化学物質を用い得る。この種の化学物質は、アルカリ性溶液、あるいはアルカリ性及び／又は酸化特性を備えた特有の化学物質をもたらすＳＣＲシステムからのＮＨ３「スリップ」であってもよい。後者の場合には、この洗浄装置は、完全にＳＣＲユニット４２に取って代わり得る。
【００４８】
この排煙ガスの純化は、ＣＯ２捕捉吸収剤の中の耐熱性塩の形成を最小化し、経時的なＣＯ２捕捉性能の劣化を最小化するために不可欠である。
【００４９】
通常、ＣＯ２捕捉ユニットは、その中を排煙ガスがアミン、高温炭酸塩、又は物理的な吸収剤などの吸収剤に向流して流れる吸収器を有する。通常、排煙ガス中のＣＯ２の総量は、排煙ガスがＣＯ２不足の流れとして吸収器から出る前に吸収器の中で９０から９９％削減される。吸収されたＣＯ２を有する吸収剤（豊富な吸収剤）は、溶媒／溶媒熱交換器の中で加熱され、ストリッパコラム(stripper column)内で再生される。この再生された溶媒は、この溶媒／溶媒交換器で冷却され、トリムクーラー（trim cooler）内で冷却され、ＣＯ２吸収塔へ戻され、一方、このＣＯ２は、ＣＯ２の豊富な流れとしてストリッパコラムから除去される。図６は模範的なＣＯ２捕捉ユニットを示す。しかしながら、このユニットの詳細設計は用いられる溶媒のタイプに基づく。
【００５０】
ＣＯ２捕捉ユニット４９は、この部分的に洗浄された燃焼ガスを、ＣＯ２管路５１を通ってこのユニットから出るＣＯ２の豊富な流れと、管路５０を通ってこのユニットから出るＣＯ２不足の流れとに分割することが可能などのような種類のユニットであってもよい。管路５１の中のＣＯ２の豊富な流れは、電動機５３によって動力を供給された圧縮機５２の中で約１００ｂａｒの圧力に圧縮される。圧縮されたＣＯ２の豊富な流れの一部は、管路５４から圧縮機を出て、中間貯蔵手段１４用のＣＯ２源として再循環される。残りのＣＯ２は、さらに圧縮され、ＣＯ２管路５５でこのプラントから除去される。
【００５１】
管路５０を通ってＣＯ２捕捉ユニット４９から出るＣＯ２不足の流れは、再加湿機の中に導入され、この再加湿機の中でガスは、管路５７を通って熱交換器４４に導かれる前に加熱され水で飽和され、この熱交換器４４の中でＣＯ２枯渇ガスが管路４３の中の高温ガスに対して加熱される。好ましくは、空気又は別の適したガスが、ＣＯ２不足の流れの熱容量が管路４３の中の燃焼ガスの熱容量とほぼ同じになるように燃焼ガスから除去されたＣＯ２の質量を補うために空気管路７３を通って管路５７（又は、代替的に管路５０）の中に導入される。空気が、空気取入口７０を通ってこのシステムの中に取り入れられ、電動機７２によって動力を供給される圧縮機７１を用いて圧縮される。代替としては、いくらかの圧縮機７８からの空気が、燃焼器２５及び下流の装置を迂回し、管路５０又は管路５７の中に導入され得る。（これは図１に示されない。）
【００５２】
加熱されたＣＯ２不足の流れは、熱交換器４４から管路５８を通って出て、熱交換器５９の中に導入され、この熱交換器５９の中でＣＯ２不足の流れは、２次燃焼室８１から管路８２でこの熱交換器に入る燃焼空気に対して加熱される。２次燃焼室８１は、ガス入口管路８０からの天然ガスによって発火される。２次燃焼室８１の中の燃焼のための酸素は、管路８７を通って２次燃焼室内に導入される。
【００５３】
熱交換器５９からの冷却されたガスは、ＣＯ２除去のために管路４１の中に導かれる管路８６でこの熱交換器から出る。管路８６の中のガスの一部は、管路８３で取り出され、ファン８４及び管路８５を用いて管路８２の中に再循環され得る。管路８３を通る再循環は、管路８２から熱交換器５９を通る加熱されたガスの質量流量を増加させるために用いられる。この熱交換器が２，０００℃以下などの高温に耐える材料で作製されている場合、この再循環は不必要である。
【００５４】
管路６０で熱交換器５９から出る加熱されたＣＯ２不足の流れは、タービン６１を越えて膨張させられる。管路６２を通ってタービン６１から出るこの膨張したＣＯ２不足の流れは、このガス流れが管路６４を通って大気の中に放出される前に、熱交換器６３でさらに冷却される。熱交換器６３は、膨張したＣＯ２不足の流れの中のエネルギーが予熱器６３の中の水を加熱するために用いられるように、燃焼室内の冷却用コイルに入る水を予熱する予熱器３２と同一であってよい。
【００５５】
燃焼室２５及び２次燃焼室８１の両方のための空気は、示した実施形態で空気取入口７５を通ってこのシステムに導入される。空気取入口７５の中の空気は、好ましくは２個の圧縮機７６、７８及び中間冷却器７７を有する２段圧縮機の中で圧縮される。管路７９で圧縮機７８から出る圧縮されたガスは、インジェクタ２１へ導かれる空気管路２３の中へと、２次燃焼室８１の中に導かれる２次空気管路８７の中へとの２つの流れに分けられる。圧縮機７６、７８及び／又はタービン６１の中の漏出は、漏出管路８８によって示される。示した実施形態で圧縮機は、圧縮機７６、７８の両方、電力の生成のためのタービン６１、及び発電機６５に共通の軸６６に配置される。代替としては、低圧タービンが低圧圧縮機７６を駆動し、高圧タービンが発電機６５に加えて高圧圧縮機７８を駆動するように、２段圧縮機７６、７８（図示のように）及び２段タービン６１（低圧段階及び高圧段階、図示せず）であってもよい。
【００５６】
図２ａは、燃焼室を貫く縦断面及びインジェクタ２１の好ましい実施形態を示す。インジェクタ２１は、燃焼室の壁に溶接されたカラー１０１によって支持される。このインジェクタは、カラー１０１の中に挿入され、保持板１００を用いてカラーに締め付けられる。このインジェクタは、石炭の注入のための中央チューブ１０２と、空気インジェクタ１０３と、この中央チューブを取り囲むガスインジェクタ１０４とを有する。カラー１０１は、好ましくはこのカラーを取り囲む冷却用ジャケット１０６で循環する空気入口１０９からの空気を用いて冷却される。好ましくは、冷却用ジャケットの中でカラーを冷却することによって加熱された空気は、管路１０７の中に導かれ、空気インジェクタ１０３の中に導入され、燃焼室内に噴射される。
【００５７】
管路２０を通ってインジェクタ２１に入る石炭、ＣＯ２、及び任意選択の石灰石の混合物は、中央導管１０２の中に導入される。この混合物は、加圧ＣＯ２を用いてチューブを通って吹き飛ばされ、燃焼室内に噴射される。図に示すようにノズルを用いることによって燃焼室内に空気を注入するために、ノズルによって引き起こされるベンチュリ効果が、中央配管から燃焼室内に材料をさらに引き込ませる。
【００５８】
インジェクタ２１から出る高温の燃えているガス／石炭混合物は、燃焼室の壁及び蒸気を加熱するコイル９に有害である場合がある。燃焼室の壁及び蒸気を加熱するコイル９への損傷を避けるために、反射板１１１が、残りの未燃粒子の速度を低減させ、燃焼室の内壁への損傷を避け又は軽減するようにインジェクタ２１の反対側に配置される。好ましくは、この反射板は、ガス管路１１０を通って供給されるＣＯ２を用いて冷却され、このＣＯ２は反射板の後ろ側で冷却用チャネル１１２を通って循環される。２個以上のインジェクタが燃焼室の壁の中に配置される場合は、通常は１個の反射板がインジェクタ毎に配置される。代替としては、この反射板はインジェクタ用に開口部を有する円錐台形であってもよい。
【００５９】
図２ｂは、図２ａのＡ−Ａ断面を示す。中央導管１０２は、複数の空気インジェクタ１０３によって取り囲まれる。ガス管路２２でインジェクタの中に導入される天然ガス噴射用のこれらガスインジェクタは、例示のインジェクタであり、２個以上の空気インジェクタの内側に位置している。中央導管の内壁の複数のらせん状リブ１０５が、石炭混合物を回転させ、したがって燃焼室内で乱気流を引き起こす。この乱気流の生成は、注入された石炭、ガス及び空気の適した混合が燃焼のための最適な状態を確実に促進するために重要である。
【００６０】
図３は、連結したミル及び中間貯蔵装置１４を示す。石炭及び石灰石は、ミル１２に導かれるファンネル(funnel)１５０の中に運搬手段１０、１１、１３で運搬される。このファンネル１５０は、石炭／石灰石のミル１２の中への給送速度を低減させるために複数の内部フラップ１５１を有する。給送速度を低減させると、最適な空気の減少を可能にさせることになる。ミル１２は、２個以上のミルを有することが好ましく、このミルの中で、入ってくる石炭及び石灰石は、初めにミルの中に導入され、その後好ましい粒子サイズをもたらすために細かいミルの中に導入される。
【００６１】
ミル、及びファンネルの下部は、石炭の粉塵及び酸素の混合物が爆発性であることがあるので、石炭及び石灰石とともに運ばれる酸素又は空気の量を低減させるためにパージ管路１５２から入るＣＯ２によってパージされることが好ましい。パージ管路の中のＣＯ２の流れは、弁１５３によって制御される。
【００６２】
このミルから、石炭及び石灰石の粉塵は、アルキメデスねじ１３によってタンク１６に垂直に給送される。運搬装置１３とタンク１６の間に挿入された弁１５は、このタンクが石炭及び石灰石の粉塵で一杯であるとき、タンクの入口を閉めるために用いられる。タンク１６が燃焼室内で空にされるとき、弁１５は閉められ、ＣＯ２がタンクの上部での弁１５５で制御されるＣＯ２管路１５４を通って、及び／又は弁１５８によって制御されるＣＯ２管路１５７を通ってタンクの中に導入される。管路１５４かそれとも管路１５７を通るＣＯ２の導入は、タンクの中の圧力を高める。このタンクの中の圧力は、燃焼室内の圧力より高い圧力に高められる。タンクの中の圧力は燃焼室内より０．５から１ｂａｒ高いことが好ましい。タンクの底に近い管路１５７を通るＣＯ２の導入は、タンクの内容物を少なくとも部分的に流動化させる。次いで、管路２０の中の弁１７が開けられ、上述のようにＣＯ２、石炭の粉塵及び石灰石の混合物が、管路２０、インジェクタ２１を通り、燃焼室内に押し出される。タンク１６が空になった後、弁１７は再び閉められ、弁１５は開けられ、タンクは再び上述のように粉塵で充填される。
【００６３】
図４は、２次燃焼室８１、熱交換器５９、及びそれらを連結する管路の代用のための連結した２次燃焼室及び熱交換器２００を示す。この連結により、熱効率がより良くなり、連結管路の使用がなくされるか又は削減される。
【００６４】
空気及び天然ガスは、それぞれ空気管路２０３及びガス管路２０２を通って燃焼室２０１の中に導入される。ＣＯ２は、燃焼室の上部を冷却するためにＣＯ２管路２０４から冷却用ジャケット２０５を通って導入され、燃焼室内のガスの組成を調整するために燃焼室内に放出される。燃焼の中で燃えるガスは、燃焼室内で下方に押され、燃焼室の底の近くの開口部２０６を通って押し出される。燃焼室からの暖かい排煙ガスは、燃焼室を取り囲む排煙ガス室の中で循環される。排煙ガス室の高温の排煙ガスは、入口２１２を通ってこの装置に入る管路５８からのＣＯ２不足の流れとの熱交換によって冷却される。このＣＯ２不足の流れは、排煙ガス室２０７の外壁と熱交換器シェル２１０の間に画成された循環空間の中を循環する。
【００６５】
２次燃焼室２０１からの排煙ガスは、排煙ガス出口２０８を通って装置から出て、管路８６の中に導入される。この加熱されたＣＯ２不足の流れは、この装置から熱交換器出口２１３を通って管路６０の中に出る。管路２０３の中に導入されるべき空気は、空気が熱交換器シェル２１０の少なくとも一部を取り囲むジャケット２１６の空気入口の中に導入されるとき、ＣＯ２不足の流れとの熱交換によって予熱されることが好ましい。この加熱された空気は、空気出口２１７を通って除去され、空気管路２０３の中に導入される。
【００６６】
この連結した燃焼室及び熱交換器は、連結装置により小型の構造をもたらす。この装置の燃焼室と熱交換部とを分離する壁の間の高い温度差は、比較的狭い熱交換領域の必要性をもたらす。
【００６７】
図５は、ＣＯ２用の貯蔵手段２５０を有する中間貯蔵手段１４の実施形態を示す。ＣＯ２貯蔵手段２５０は、ＣＯ２貯蔵タンク２５５と、電動機２６３よって運転される圧縮機２５９と、粉塵フィルタ２５２と、連結管路２５７、２６１と、このシステム内の流れを制御するいくつかの弁２５３、２５４、２５８、２６０、２６２とを有する。ＣＯ２貯蔵手段２５０は、任意選択弁２５１を用いて中間貯蔵手段１４から閉められ得る。
【００６８】
タンク２５５の中で加圧下のＣＯ２がタンク１６、１６’又は１６’’の１つの中に充填されるべきとき、タンク１６に連結された弁、すなわち２４８、２４８’又は２４８’’が開けられる。次いで、タンク２５５の中のガスが管路２５６、２６１、及び２４９、２４９’又は２４９’’を通って流れることを可能にするために弁２５６、２６２が開けられる。タンク２５５からタンク１６、１６’又は１６’’への流れがより低い圧力差により低減されると、弁２５６は閉められ、弁２５４、２６０、２５８が開けられ、タンク２５５からのＣＯ２は、タンク２５５の中の圧力がほぼ外気圧になるまで圧縮機２５９によって圧縮される。その後、全ての弁２５３、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２４８は閉められる。
【００６９】
タンク１６、１６’又は１６’’からタンク２５５の中に余分なＣＯ２を充填するためには、対応する弁２４８、２４８’又は２４８’’は、開けられる。次いで、ＣＯ２は、弁２５３、２５４を開けることによってタンク１６、１６’又は１６’’からフィルタ２５２を通ってタンク２５５の中に流れることが可能にされる。この流れが、タンク間の圧力差の低下により低減されると、弁２５４は閉められ、弁２６０、２５８、２５６は開けられ、タンク１６、１６’又は１６’’からのガスは、圧縮され、一時的な貯蔵のためタンク２５５に導かれる。タンク１６、１６’又は１６’’の中の圧力がほぼ大気圧になると、全ての弁２４８、２４８’、２４８’’、２５３、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２は閉められる。
【００７０】
ＣＯ２は、タンク１６からの管路１５４、１５７、又は１８などタンクの中へのどれかのＣＯ２管路を通ってタンク１６の中に導入されるか又は除去されることができ、管路２４９は例示的であり、単独に、又は連結して上述の管路のいずれかを補うことができることが当分野の技術者には明白であろう。
【００７１】
図６は、模範的で少し簡素化されたＣＯ２捕捉ユニット４９を示す。冷却された燃焼ガスは、管路４８を通ってユニット４９に入り、吸収器３００の底近くで中に導入される。洗浄された燃焼ガスは、吸収器の上部に近くの管路５０で吸収器３００から出る。アミン又は高温炭酸塩溶液など吸収剤が、吸収器の上部近くの管路３０１を通って吸収器の中に導入され、吸収器の底近くの管路３０２を通って豊富な吸収剤（ＣＯ２の豊富な）として吸収器から出る。吸収器を通って洗浄され吸収されるべきガスの対向流は、ＣＯ２の吸収のための最適な条件を確実にする。
【００７２】
管路３０２の中のこの豊富な吸収剤は、その上部近くのストリッピングコラム(stripping column)３０５の中に導入される前に、熱交換器３０３で再生された（リーンな）吸収剤に対して加熱される。このストリッピングコラムの中の温度は、吸収器３００の中の温度より高く、圧力は吸収器３００の中の圧力より低く、これによりＣＯ２を吸収剤から放出させる。吸収剤から放出されたＣＯ２は、ＣＯ２管路３０６を通ってストリッピングコラムから除去される。管路３０６の中のＣＯ２は、管路５１を通ってＣＯ２捕捉ユニットから出るＣＯ２の豊富な流れの中の湿気を除去するために還流凝縮器３０７の中で冷却される。還流凝縮器３０７の中で凝縮された湿気は、還流管路３０８でストリッピングコラムに戻される。
【００７３】
この揮散されたか又はリーンな吸収剤は、管路３０１でストリッピングコラム３０５から底近くで取り出される。管路３０１の中のこのリーンな吸収剤は、吸収器３００の中に再び入れられる前に、熱交換器３０３及び冷却器３１１の中で冷却される。このリーンな吸収剤の一部は、加熱されたリーンな吸収剤がストリッピングコラム３０５の中に再導入される前に、リボイラ３１０の中で加熱される加熱回路３０９の中に取り出され得る。
【００７４】
図１による模範的なプラントでは、温度、圧力、質量流量に対する重要な数値が、次の通りであってもよい。
【００７５】
【表１】
【００７６】
当業界の技術者ならば、言及された熱交換器、タービン、圧縮機及び同種のものが２つ以上の並列及び／又は直列して連結される装置を意味することが理解されよう。さらに、２個以上の並列が言及された場合、並列の数は例示された実施形態とは異なることがある。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の好ましい実施形態の概略図である。
【図２ａ】本発明によるインジェクタを貫く縦断面図である。
【図２ｂ】図２ａのＡ−Ａの断面図である。
【図３】本発明によるプラント用の模範的な粉砕及び中間燃料貯蔵装置を示す図である。
【図４】本発明によるプラント用の連結した熱交換器及び２次燃焼室を貫く縦断面図である。
【図５】中間燃料貯蔵装置及びＣＯ２を処理する手段の概略図である。
【図６】模範的なＣＯ２捕捉ユニットを示す概略図である。
【符号の説明】
【００７８】
９ 冷却用コイル
１０ 石炭管路
１１ 石灰石管路
１２ 石炭用ミル
１３ 運搬手段、アルキメデスねじ、運搬装置
１４ 中間貯蔵手段
１５ 入口弁
１６ 貯蔵タンク
１７ 出口弁
１８ ＣＯ２管路
１９ ＣＯ２弁
２０ 管路
２１ インジェクタ
２２ ガス管路
２３ 空気管路
２４ 固体除去管路
２５ 燃焼室
２６ 蒸気管路
２７ 発電機
２８ タービン
２９ 管路
３０ 凝縮器
３１ ポンプ
３２ 予熱器
３３ 管路
３５ 燃焼ガス管路
３６ 粉塵除去ユニット
３７ 上流弁
３８ サイクロン及び／又はフィルタ
３９ 粉塵除去管路
４０ 下流弁
４１ 管路
４２ ＳＣＲユニット
４３ 管路
４４ 熱交換器
４６ 管路
４７ 凝縮器
４８ 管路
４９ ＣＯ２捕捉ユニット
５０ 管路
５１ ＣＯ２管路
５２ 圧縮機
５３ 電動機
５４ 管路
５５ ＣＯ２管路
５７ 管路
５８ 管路
５９ 熱交換器
６０ 管路
６１ タービン、２段タービン
６２ 管路
６３ 熱交換器
６４ 管路
６５ 発電機
６６ 軸
７０ 空気取入口
７１ 圧縮機
７２ 電動機
７３ 空気管路
７５ 空気取入口
７６ 圧縮機、低圧圧縮機
７７ 中間冷却器
７８ 圧縮機、高圧圧縮機
７９ 管路
８０ ガス入口管路
８１ ２次燃焼室
８２ 管路
８３ 管路
８４ ファン
８５ 管路
８６ 管路
８７ ２次空気管路
８８ 漏出管路
１００ 保持板
１０１ カラー
１０２ 中央チューブ、中央導管
１０３ 空気インジェクタ
１０４ ガスインジェクタ
１０５ らせん状リブ
１０６ 冷却用ジャケット
１０７ 管路
１０９ 空気入口
１１０ ガス管路
１１１ 反射板
１１２ 冷却用チャネル
１５０ ファンネル
１５１ 内部フラップ
１５２ パージ管路
１５３ 弁
１５４ ＣＯ２管路
１５５ 弁
１５７ ＣＯ２管路
１５８ 弁
２００ 連結した２次燃焼室及び熱交換器
２０１ ２次燃焼室
２０２ ガス管路
２０３ 空気管路
２０４ ＣＯ２管路
２０５ 冷却用ジャケット
２０６ 開口部
２０７ 排煙ガス室
２０８ 排煙ガス出口
２１０ 熱交換器シェル
２１２ 入口
２１３ 熱交換器出口
２１６ ジャケット
２１７ 空気出口
２４８ 弁
２４９ 管路
２５０ ＣＯ２貯蔵手段
２５１ 任意選択弁
２５２ 粉塵フィルタ
２５３ 弁
２５４ 弁
２５５ ＣＯ２貯蔵タンク
２５６ 弁、管路
２５７ 連結管路
２５８ 弁
２５９ 圧縮機
２６０ 弁
２６１ 連結管路
２６２ 弁
２６３ 電動機
３００ 吸収器
３０１ 管路
３０２ 管路
３０３ 熱交換器
３０５ ストリッピングコラム
３０６ ＣＯ２管路
３０７ 還流凝縮器
３０８ 還流管路
３０９ 加熱回路
３１０ リボイラ
３１１ 冷却器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主として石炭ベースの燃料から電力を生成するための方法であって、
前記石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスが燃焼室内に導入されて高圧で燃焼され、前記燃焼ガスが電力生産のための蒸気の生成によって前記燃焼室内で冷却され、前記燃焼ガスが、さらに冷却され、ＣＯ２捕捉ユニットの中でＣＯ２の豊富な流れとＣＯ２不足の流れとに分離され、前記ＣＯ２不足の流れが、周囲環境中に移出される前に電力を生産するために再加熱されてタービンにわたり膨張させられ、一方、前記ＣＯ２の豊富な流れが、貯蔵又は移出のための流れと前記燃焼室に再循環される流れとに分割されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記燃焼室に再循環される前記ＣＯ２の豊富な流れの少なくとも一部が、前記燃焼室に導入される前に前記石炭ベースの燃料と混合され、前記石炭ベースの燃料とともに前記燃焼室内に噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＣＯ２不足の流れが、タービンにわたり膨張される前に、ガスによって発火される２次燃焼室からの燃焼ガスとの熱交換によって加熱されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃焼室内の圧力が５〜３５ｂａｒであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記圧力が１０〜２０ｂａｒ、より好ましくは約１２〜約１６ｂａｒであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼室から出る前記燃焼ガス中の温度が、蒸気の生産によって約３５０°未満に低減されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
天然ガスが前記燃焼を助長するために前記燃焼室内に導入されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
主に石炭ベースの燃料を燃焼させる火力発電プラントであって、燃焼室（２５）と、前記石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスを前記燃焼室（２５）の中に導入するための手段（２１）と、前記燃焼室で前記燃焼ガスを冷却するための冷却手段と、前記燃焼ガスをＣＯ２の豊富な流れとＣＯ２不足の流れとに分離するための手段（４９）と、を含んでなる火力発電プラントにおいて、前記燃焼室に前記ＣＯ２の豊富な流れの一部を再循環させるための管路（５４）と、貯蔵又は移出のために前記ＣＯ２の豊富な流れの残りを供給するためのＣＯ２管路（５５）と、をさらに含んでなることを特徴とする火力発電プラント。
【請求項９】
前記冷却手段が前記燃焼室（２５）内の冷却用コイル（９）であり、前記冷却用コイルが蒸気の生成によって前記燃焼ガスを冷却することを特徴とする請求項８に記載の火力発電プラント。
【請求項１０】
電力生産のために、発電機（２７）に連結された蒸気タービン（２８）をさらに含んでなることを特徴とする請求項９に記載の火力発電プラント。
【請求項１１】
前記ＣＯ２不足の流れを加熱するための発熱用２次燃焼室（８１）であって、ガスを燃焼させる２次燃焼室（８１）と、周囲環境中に放出される前に前記加熱されたＣＯ２不足の流れを膨張させるためのタービン（６１）と、をさらに含んでなることを特徴とする請求項８に記載の火力発電プラント。
【請求項１２】
電力生産のために前記タービン（６１）が発電機（６５）に連結されていることを特徴とする請求項１１に記載の火力発電プラント。
【請求項１３】
石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスを加圧燃焼室内へ噴射するインジェクタであって、
酸素含有ガス用の複数のインジェクタ（１０３）に取り囲まれた、微粉炭ベースの燃料とＣＯ２ガスとの混合物噴射用の中央導管（１０２）を含んでなることを特徴とするインジェクタ。
【請求項１４】
天然ガス噴射用の１個又は複数のガスインジェクタ（１０４）をさらに含んでなることを特徴とする請求項１３に記載のインジェクタ。
【請求項１５】
らせん状リブ（１０５）が前記中央導管（１０２）内に設けられていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のインジェクタ。
【請求項１６】
前記ガスが石炭粉に対して反対方向に回転するように、前記ガスインジェクタ（１０４）が方向付けられていることを特徴とする請求項１５に記載のインジェクタ。
【請求項１】
主として石炭ベースの燃料から電力を生成するための方法であって、
前記石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスが燃焼室内に導入されて高圧で燃焼され、前記燃焼ガスが電力生産のための蒸気の生成によって前記燃焼室内で冷却され、前記燃焼ガスが、さらに冷却され、ＣＯ２捕捉ユニットの中でＣＯ２の豊富な流れとＣＯ２不足の流れとに分離され、前記ＣＯ２不足の流れが、周囲環境中に移出される前に電力を生産するために再加熱されてタービンにわたり膨張させられ、一方、前記ＣＯ２の豊富な流れが、貯蔵又は移出のための流れと前記燃焼室に再循環される流れとに分割されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記燃焼室に再循環される前記ＣＯ２の豊富な流れの少なくとも一部が、前記燃焼室に導入される前に前記石炭ベースの燃料と混合され、前記石炭ベースの燃料とともに前記燃焼室内に噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＣＯ２不足の流れが、タービンにわたり膨張される前に、ガスによって発火される２次燃焼室からの燃焼ガスとの熱交換によって加熱されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃焼室内の圧力が５〜３５ｂａｒであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記圧力が１０〜２０ｂａｒ、より好ましくは約１２〜約１６ｂａｒであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼室から出る前記燃焼ガス中の温度が、蒸気の生産によって約３５０°未満に低減されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
天然ガスが前記燃焼を助長するために前記燃焼室内に導入されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
主に石炭ベースの燃料を燃焼させる火力発電プラントであって、燃焼室（２５）と、前記石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスを前記燃焼室（２５）の中に導入するための手段（２１）と、前記燃焼室で前記燃焼ガスを冷却するための冷却手段と、前記燃焼ガスをＣＯ２の豊富な流れとＣＯ２不足の流れとに分離するための手段（４９）と、を含んでなる火力発電プラントにおいて、前記燃焼室に前記ＣＯ２の豊富な流れの一部を再循環させるための管路（５４）と、貯蔵又は移出のために前記ＣＯ２の豊富な流れの残りを供給するためのＣＯ２管路（５５）と、をさらに含んでなることを特徴とする火力発電プラント。
【請求項９】
前記冷却手段が前記燃焼室（２５）内の冷却用コイル（９）であり、前記冷却用コイルが蒸気の生成によって前記燃焼ガスを冷却することを特徴とする請求項８に記載の火力発電プラント。
【請求項１０】
電力生産のために、発電機（２７）に連結された蒸気タービン（２８）をさらに含んでなることを特徴とする請求項９に記載の火力発電プラント。
【請求項１１】
前記ＣＯ２不足の流れを加熱するための発熱用２次燃焼室（８１）であって、ガスを燃焼させる２次燃焼室（８１）と、周囲環境中に放出される前に前記加熱されたＣＯ２不足の流れを膨張させるためのタービン（６１）と、をさらに含んでなることを特徴とする請求項８に記載の火力発電プラント。
【請求項１２】
電力生産のために前記タービン（６１）が発電機（６５）に連結されていることを特徴とする請求項１１に記載の火力発電プラント。
【請求項１３】
石炭ベースの燃料及び酸素含有ガスを加圧燃焼室内へ噴射するインジェクタであって、
酸素含有ガス用の複数のインジェクタ（１０３）に取り囲まれた、微粉炭ベースの燃料とＣＯ２ガスとの混合物噴射用の中央導管（１０２）を含んでなることを特徴とするインジェクタ。
【請求項１４】
天然ガス噴射用の１個又は複数のガスインジェクタ（１０４）をさらに含んでなることを特徴とする請求項１３に記載のインジェクタ。
【請求項１５】
らせん状リブ（１０５）が前記中央導管（１０２）内に設けられていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のインジェクタ。
【請求項１６】
前記ガスが石炭粉に対して反対方向に回転するように、前記ガスインジェクタ（１０４）が方向付けられていることを特徴とする請求項１５に記載のインジェクタ。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００８−５３４８６２（Ｐ２００８−５３４８６２Ａ）
【公表日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５０５２５１（Ｐ２００８−５０５２５１）
【出願日】平成１７年４月８日（２００５．４．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＮＯ２００５／０００１１７
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１０７２０９
【国際公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【出願人】（５０４４６７４２８）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月８日（２００５．４．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＮＯ２００５／０００１１７
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１０７２０９
【国際公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【出願人】（５０４４６７４２８）
【Ｆターム（参考）】
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