(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料を酸素燃焼し、生成するＣＯ２と水蒸気からなる混合ガスから水蒸気を凝縮させ、高濃度のＣＯ２を直接回収し、凝縮水を循環利用するＣＯ２回収型水蒸気循環サイクルにおいて、熱効率を向上させるとともに、システム構成を簡単化する。【解決手段】酸素燃焼器２において燃料を酸素および高圧蒸気タービン１の出口水蒸気で燃焼させ、高温のＣＯ２と水蒸気からなる混合ガスを発生させ、酸素燃焼器２後流の低圧ガスタービン３出口に熱交換器４を設置し、高圧の水蒸気を発生させるとともに、熱交換器４の後流に設置した復水器６により、前記混合ガス中の水蒸気を全量凝縮させるようにしている。高圧の水蒸気は熱効率を向上させるため、高圧蒸気タービン１で動力を回収し、前記酸素燃焼器２に供給し、燃料の燃焼により再熱され、低圧ガスタービン３に供給し、動力回収を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガス、軽油等の化石燃料およびエタノール、脂肪酸エステル、グリセリン等のバイオマスから製造される燃料（以下バイオ燃料）と純酸素を当量燃焼させて水蒸気とＣＯ２からなる混合ガスを発生させ、該混合ガスを低圧ガスタービンに導入してこれを駆動し、低圧ガスタービンの出口に設けた熱交換器により温度を下げた後、海水等により冷却を行うことにより、該混合ガス中の水蒸気を全量復水させて分離し、残りのガスである高濃度のＣＯ２を回収するとともに、前記化石燃料およびバイオ燃料と純酸素の当量燃焼で発生した水分を除いた水分を再び給水する酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムにおいて、高圧蒸気タービンと低圧ガスタービンを設けると共に高圧蒸気タービンと低圧ガスタービンの間に燃料と純酸素を当量燃焼させて高圧蒸気タービンの出口蒸気を再加熱する酸素燃焼器を設ける一方、前記低圧ガスタービンの出口蒸気を熱源として低圧タービンの出口に設けた熱交換器で給水を加熱して蒸気を発生させ、その発生蒸気の全量を高圧蒸気タービンに導入すると共に前記高圧蒸気タービンの出口蒸気を前記酸素燃焼器に導入して再加熱すると共に低圧ガスタービンに導入してこれを駆動し、該低圧ガスタービンの出口蒸気を下流側の前記熱交換器の熱源として利用する酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステム。
【請求項２】
前記の熱交換器を通過して低圧ガスタービンの出口蒸気を熱源として蒸発した蒸気を導入し、前記上流側の酸素燃焼器で燃料の燃焼熱により加熱された水蒸気とＣＯ２からなる混合ガスを熱源として過熱する過熱器を該酸素燃焼器の壁面および低圧ガスタービン第一段静翼内部に設置し、同時に酸素燃焼器の壁面および低圧ガスタービン第一段静翼を冷却することを特徴とする請求項１記載の酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】  本発明は、酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムに関する。更に詳述すると、本発明は、化石燃料およびバイオ燃料を燃焼させて生成された水蒸気とＣＯ２からなる混合ガスによって低圧ガスタービンを駆動し、該低圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスの熱で発生させた水蒸気によって低圧ガスタービンに連結された高圧蒸気タービンを駆動させるように構成された一部作動流体としてＣＯ２を使用する変形ランキンサイクル酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】  酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムは、燃料を酸素燃焼させることにより、窒素を含まない水蒸気、ＣＯ２からなる混合ガスを生成させ、該混合ガス中の水蒸気を冷却分離することで容易に高濃度のＣＯ２が回収できるとして開発が期待されている。しかし、現在当該システムと類似の高効率かつ実現性の高いシステムは開発されていない。【０００３】  また、バイオ燃料は、炭素中立（大気中のＣＯ２を固定した物質と考えられるため、燃焼により発生するＣＯ２は勘定しない）であり、ＣＯ２排出の無い発電サイクルとして注目されている。このバイオ燃料燃焼タービンシステムとして、従来、例えば図−６に示す天然ガス焚きガスタービン複合発電が考えられている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら、図６のサイクルは発生するＣＯ２を回収しない。もし、発生するＣＯ２を回収する場合は、排熱回収ボイラの後段に別途ＣＯ２分離設備が必要となるが、該設備は大規模な設備となり、設備コストが上昇するとともに大量の動力が必要となる。
【０００５】  本発明は、これらの付帯設備を必要とせずに、比較的簡易なシステム構成により、高濃度のＣＯ２を直接回収できることにより、燃料の燃焼により生成するＣＯ２の回収・貯留に対する実現性を高めたサイクルを提供することを目的とする。
【０００６】  本発明のシステムは、天然ガスや軽油等の化石燃料でも駆動できるが、バイオ燃料で駆動した場合は、前記の炭素中立なバイオ燃料から発生するＣＯ２を全量回収するため、本システムから回収・貯留するＣＯ２量は削減量として勘定することが出来、理論的には大気中のＣＯ２濃度を低減することが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  かかる目的を達成するため、本発明は、燃料と純酸素を当量燃焼させた熱で水蒸気、ＣＯ２からなる混合ガスを発生させ、該混合ガスを低圧ガスタービンに導入してこれを駆動し、該低圧ガスタービンの出口混合ガス中の水蒸気を全量復水させて前記純酸素と水素の当量燃焼で発生した水分を系外へ排出してから再び給水する酸素燃料燃焼ＣＯ２回収タービンシステムにおいて、高圧蒸気タービンと低圧ガスタービンとの間に燃料と純酸素を当量燃焼させて高圧蒸気タービンの出口蒸気を再加熱する酸素燃焼器を設ける一方、前記低圧ガスタービンの出口混合ガスを熱源として前記熱交換器で給水を加熱して水蒸気を発生させ、その発生水蒸気の全量を高圧蒸気タービンに導入すると共に前記高圧蒸気タービンの出口蒸気を上流側の前記酸素燃焼器に導入して再加熱すると共に低圧ガスタービンに導入してこれを駆動するようにしている。
【０００８】  また、本発明の酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムは、前記熱交換器を通過して低圧蒸気タービンの出口混合ガスを熱源として発生した水蒸気を、前記酸素燃焼器の壁面および前期低圧ガスタービンの第一段静翼内冷却流路に導入して、当該酸素燃焼器内壁面および当該第一段静翼を冷却するとともに、該酸素燃焼器内で燃焼により生成する混合ガスの熱により水蒸気を過熱するようにしている。
【作用】
【０００９】  高圧蒸気タービンの出口水蒸気は燃料と純酸素とを当量燃焼させる酸素燃焼器によって再加熱され、低圧ガスタービンへの入口混合ガス温度を高くして熱効率を上げる。しかも、給水は低圧ガスタービンの出口混合ガスを熱源とする熱交換器により、混合ガスの熱で加熱され蒸気とされる。したがって、サイクル全体で必要とする水蒸気量を全量蒸発させることができる。しかも、高温となる燃料と純酸素の燃焼によって発生する高温の水蒸気、ＣＯ２の混合ガスに前記低温ガスタービンの翼が耐える温度まで高圧ガスタービンの出口蒸気によって当該タービン翼は冷却される。
【００１０】  また、請求項２の発明の場合、低圧蒸気タービンの出口混合ガスによって、発生した水蒸気を、酸素燃焼器の壁面および前記低圧ガスタービンの第一段静翼内に設けた過熱器により、さらに高温にするとともに、該酸素燃焼器の壁面および該第一段静翼が冷却されるため、高圧蒸気タービンの入口水蒸気の温度を高くするとともに、酸素燃焼器の出口混合ガスの温度を高くでき、システムの熱効率が向上する。
【実施例】
【００１１】  以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。【００１２】  図１に本発明の酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムの一実施例を示す。図２に本発明の酸素燃焼ＣＯ２回収タービンの一構造例を示す。この水素燃焼タービンシステムは、発電機９を駆動する高圧蒸気タービン１と低圧ガスタービン３が同軸上に設置され、各タービン１，３に蒸気および混合ガスを通すことによって回転駆動させ、発電機９に回転を与えるようにしている。【００１３】  低圧ガスタービン３の上流側（タービン入口側）には、燃料を純酸素で当量燃焼させて高圧蒸気タービンの出口水蒸気を再加熱する酸素燃焼器２が設けられている。本実施例の場合、低圧ガスタービン２の下流側（タービン出口側）には、低圧ガスタービン３から出た混合ガスを熱源として給水を蒸発させて水蒸気とする熱交換器４が設けられている。即ち、酸素燃焼器２の再加熱によって高温にされた低圧ガスタービン３の出口混合ガスによって給水を蒸発させ水蒸気を得るようにしている。該熱交換器４により、生成された水蒸気は直接高圧蒸気タービン１に導入される。【００１４】  低圧ガスタービン３の下流の熱交換器４で給水を蒸発させるのに利用された後の混合ガス中の水蒸気は、全量が復水器６で復水分離され、残ガスであるＣＯ２は回収される。分離された復水は燃料と酸素の燃焼で発生した水分を系外へ排出した残りを再び給水として循環させる。給水中の残留ガスは脱気器８によって、高圧蒸気タービン出口水蒸気の一部を抽気して昇温されて脱気されてから、熱交換器４に供給される。【００１５】  以上のように構成された酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムによれば、次のように作動する。【００１６】  給水ポンプ９によって供給される給水は、低圧ガスタービン３から排出される蒸気を熱源とする熱交換器４に供給され、低圧ガスタービン２の出口混合ガスの熱を利用して水蒸気とされる。熱交換器４で発生した蒸気は高圧蒸気タービン１に導入されこれを駆動する。【００１７】  次いで、高圧蒸気タービン１から排出される水蒸気は酸素燃焼器２に導入されて再加熱される。この酸素燃焼器２では燃料と純酸素を当量燃焼させて熱を得る。したがって、燃焼熱は非常に高温となるが、高圧タービン１の出口蒸気によって希釈され、例えば１５００℃程度にまで下げられる。【００１８】  高圧蒸気タービン１から排出される水蒸気は、酸素燃焼器２に導入されて燃料と純酸素の当量燃焼によって再加熱され、昇温される。再加熱された混合ガスは低圧ガスタービン３に導入されこれを駆動する。このとき、高圧蒸気タービン１の出口の蒸気一部はバイパス流路１１を通って低圧ガスタービンの翼の冷却用水蒸気として低圧ガスタービン３に導入される。【００１９】  低圧ガスタービン３を駆動した後の水蒸気、ＣＯ２混合ガスは熱交換器４へ導入されて給水を蒸発させる熱源として使用された後、混合ガス中の水蒸気が復水器１０で全量が復水された後、残ガスであるＣＯ２が回収される。酸素燃焼器２での燃焼によって発生した水分は系外へ排出する。また、高圧タービン１の出口水蒸気の一部が抽気され、脱気器８の熱源として使用される。これら脱気器８で使用された水蒸気は水となって給水径るいは復水器１０へ還流される。復水された水は脱気器１０において脱気され、給水ポンプ９で循環・給水される。【００２０】  この結果、図３に示すようなＴ−Ｓ線図が得られる。【００２１】  尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、高圧蒸気タービン１の入口水蒸気の温度を更に高くすることにより、熱効率向上を図ったシステムとして、図４および図５に示すように、酸素燃焼器２の壁面および低圧ガスタービンの第一段静翼内に冷却管を設け、この中を熱交換器４で生成する水蒸気を通して過熱するとともに、酸素燃焼器２の内壁面および第一段静翼を冷却する。この場合、高圧蒸気タービン１への入口蒸気温度が実施例１のものより高くなるため、熱効率がより高くなる。【００２２】  また、本実施例では、酸素燃焼器２の壁面と低圧タービン３の第一段静翼の両者に水蒸気による冷却構造を設けているが、どちらか一方に冷却構造を設けても良い。
【発明の効果】
【００２３】  以上の説明より明らかなように、本発明の酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムは、高圧蒸気タービン１出口の水蒸気と、燃料と純酸素とを当量燃焼させる酸素燃焼器２によって発生した高温混合ガスで低圧ガスタービン３を駆動しても、十分な量の熱を有しているため、熱交換器４でサイクル全体で必要とする水蒸気を全量生成させることができ、蒸気の一部を圧縮する圧縮機を必要としないし、低圧ガスタービン３の入口蒸気温度を高くして熱効率を上げることができる。
【００２４】  しかも、高温となる燃料と純酸素の燃焼によって発生する高温の混合ガスに低圧ガスタービン３の翼が耐える温度まで高圧蒸気タービンから排出される水蒸気によって冷却されるので、酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムの実用化が容易である。
【００２５】  また、請求項２の発明の場合、熱交換器４で生成された水蒸気を酸素燃焼器２の壁面および低圧ガスタービン３に設置した過熱器により、さらに上昇温して高圧蒸気タービン２に供給するため、高圧蒸気タービンの出力が向上し、その分熱効率を上げることができる。
【００２６】  この結果、請求項２の発明の場合、図６に示すようなＴ−Ｓ線図が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムの一実施例を示すサイクル構成図である。
【図２】  図１の実施例に係る酸素燃焼ＣＯ２回収タービンの構造概念図である。
【図３】  図１の実施例に係る酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムのＴ−Ｓ線図である。
【図４】  本発明の酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムの他の実施例を示すサイクル構成図である。
【図５】  図２の実施例に係る酸素燃焼ＣＯ２回収タービンの構造概念図である。
【図６】  図２の実施例に係る酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムのＴ−Ｓ線図である。
【図７】  本発明の酸素燃焼ＣＯ２回収タービンシステムと、回収したＣＯ２を地下の帯水層へ貯留する一実施例を示す。
【図８】  従来のガスタービン複合サイクルシステムの排気ガスから、ＣＯ２回収装置を用いてＣＯ２を回収する一実施例を示す。
【符号の説明】
１  高圧蒸気タービン
２  酸素燃焼器
３  低圧ガスタービン
４  熱交換器
５  蒸気ドラム
６  復水器
７  脱気器
８  給水ポンプ
９  発電機
１０  タービン翼冷却蒸気流路
１１  過熱器（燃焼器内壁）
１２  過熱器（タービン第一段静翼）
１３  タービン車軸
１４  スラスト軸受
１５  ジャーナル軸受
１６  ＣＯ２圧縮機
１７  電動機
１８  地下帯水層
１９  空気圧縮機
２０  燃焼器
２１  ガスタービン
２２  排熱回収ボイラ
２３  蒸気タービン
２４  ＣＯ２吸収塔
２５  リボイラ
２６  吸収液再生塔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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