(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と、散布水および排ガス中の水分の凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を、排ガスの流れ方向に対して直列に複数配置した排ガスの水回収装置であって、
第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する他の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置したことを特徴とする排ガスの水回収装置。
【請求項２】
排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と、散布水及び排ガス中の水分の凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を、排ガスの流れ方向に対して直列に複数配置した排ガスの水回収装置であって、
第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する第２の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置すると共に、
前記第１の水回収手段の冷却水散布部から散布される水滴の平均粒径は、前記第１の水回収手段の排ガス流れの下流側に位置する第２の水回収手段の冷却水散布部から散布される水滴の平均粒径より小さくなるよう構成されていることを特徴とする排ガスの水回収装置。
【請求項３】
排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と、散布水及び排ガス中の水分の凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を、排ガスの流れ方向に対して直列に複数配置した排ガスの水回収装置であって、
第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する第２の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置すると共に、
前記第１の水回収手段の冷却水散布部と回収部との間の距離は、前記第１の水回収手段の排ガス流れの下流側に位置する第２の水回収手段の冷却水散布部と回収部との間の距離より長くなるよう構成されていることを特徴とする排ガスの水回収装置。
【請求項４】
圧縮機と、
圧縮機から吐出される圧縮空気に蒸気を混入させる蒸気混入手段と、
蒸気を含む圧縮空気と燃料と蒸気が供給される燃焼器と、
燃焼器の排ガスが供給され駆動するタービンとを備えたガスタービンにおいて、
タービンから出た排ガスが供給され、排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と散布水及び排ガスの凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を排ガスの流れ方向に沿って直列に多数配置し、第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する他の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置した水回収装置と、
前記複数の水回収手段のうち、排ガス流れの最上流側に位置する水回収手段から回収された回収水を蒸気混入手段に供給する連絡経路とを有することを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
圧縮機と、
圧縮機から吐出される圧縮空気と燃料と蒸気が供給される燃焼器と、
燃焼器の排ガスが供給され駆動するタービンとを備えたガスタービンにおいて、
タービンから出た排ガスが供給され、排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と散布水及び排ガスの凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を排ガスの流れ方向に沿って直列に多数配置し、第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する他の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置した水回収装置と、
前記複数の水回収手段のうち、排ガス流れの最上流側に位置する水回収手段から回収された回収水を前記燃焼器に供給する連絡経路とを有することを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガスの水回収装置に係り、ガスタービン等の燃焼排ガスから水分を回収し、水資源の有効活用をはかるとともに、環境への水蒸気の放出量を低減させる排ガスからの水回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
湿分を多く含んだ排ガスから水を回収する方法については燃料電池発電プラントにおける排ガスからの水回収、あるいはガスタービン排ガスからの水回収といった分野で考えられており、例えば燃料電池発電プラントに関しては特開平8− 31443 号公報やガスタービン排ガスからの水回収では特開昭56−12006 号公報といった例がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
湿分を多く含んだ排ガスは、その露点以下に温度を下げるならば、水蒸気が凝縮して水を回収することができる。従来の水回収装置では回収水の温度には充分な関心が払われていなかった。しかし、外部に取り出すことのできる有効エネルギー（エクセルギー）をできるだけ有効に回収するためには、回収水を混合して同一温度にするより、温度の高い回収水は温度の高いままで回収するのが望ましい。従来の排ガスからの水回収装置はこの点が充分ではない。
【０００４】
そこで、本発明は、湿分を含んだ排ガスから水を回収する際に温度レベルの異なる回収水を簡易なシステムで回収できる水回収装置を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排ガスから水分を回収する際に複数の水回収部に分け、燃焼排ガスの温度が低くなっている出口側の液回収部回収水の一部を、燃焼排ガスの温度の高い入口側の冷却水散布部に供給し、その領域で得られた回収水を更に、燃焼排ガスの入口側に位置する冷却水散布部に供給するようにする。
【０００６】
例えば、排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と、散布水および排ガス中の水分の凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を、排ガスの流れ方向に対して直列に複数配置した排ガスの水回収装置であって、第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する他の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置したことを特徴とする。
【０００７】
又は、排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と、散布水及び排ガス中の水分の凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を、排ガスの流れ方向に対して直列に複数配置した排ガスの水回収装置であって、第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する第２の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置すると共に、前記第１の水回収手段の冷却水散布部から散布される水滴の平均粒径は、前記第１の水回収手段の排ガス流れの下流側に位置する第２の水回収手段の冷却水散布部から散布される水滴の平均粒径より小さくなるよう構成されていることを特徴とする。
【０００８】
又は、排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と、散布水及び排ガス中の水分の凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を、排ガスの流れ方向に対して直列に複数配置した排ガスの水回収装置であって、第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する第２の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置すると共に、前記冷却水散布部と回収部とを備えた水回収手段を排ガスの流れ方向に沿って直列に多数配置され、第１の水回収手段の冷却水散布部と回収部との間の距離は、前記第１の冷却水回収手段の排ガス流れの下流側に位置する第２の水回収手段の冷却水散布部と回収部との間の距離より長くなるよう構成されていることを特徴とする。
【０００９】
又は、圧縮機と、圧縮機から吐出される圧縮空気に蒸気を混入させる蒸気混入手段と、蒸気を含む圧縮空気と燃料と蒸気が供給される燃焼器と、燃焼器の排ガスが供給され駆動するタービンとを備えたガスタービンにおいて、タービンから出た排ガスが供給され、排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と散布水及び排ガスの凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を排ガスの流れ方向に沿って直列に多数配置し、第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する他の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置した水回収装置と、前記複数の水回収手段のうち、排ガス流れの最上流側に位置する水回収手段から回収された回収水を蒸気混入手段に供給する連絡経路とを有することを特徴とする。又は、圧縮機と、圧縮機から吐出される圧縮空気と燃料と蒸気が供給される燃焼器と、燃焼器の排ガスが供給され駆動するタービンとを備えたガスタービンにおいて、タービンから出た排ガスが供給され、排ガスに水滴を散布する冷却水散布部と散布水及び排ガスの凝縮水を回収する回収部とを備えた水回収手段を排ガスの流れ方向に沿って直列に多数配置し、第１の水回収手段の回収部で回収した回収水の少なくとも一部を、該第１の水回収手段より排ガス流れの上流側に位置する他の水回収手段の冷却水散布部から散布するよう構成し、排ガス下流側の水回収手段で得られた回収水を排ガス上流側の水回収手段の冷却水として用いるプロセスを繰り返すように複数の水回収手段を配置した水回収装置と、前記複数の水回収手段のうち、排ガス流れの最上流側に位置する水回収手段から回収された回収水を前記燃焼器に供給する連絡経路とを有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施例の構成説明図である。空気圧縮機２で圧縮され燃焼器４に送られる。燃焼器４では燃料、蒸気発生器５で発生した蒸気とともに燃焼し高温の燃焼ガスとなってガスタービン１に送られる。ガスタービン１は発電機３を駆動したあと、高温の排気ガスを放出する。この排ガスは蒸気発生器５で熱回収されたあと、破線で囲んだ本発明の排ガスからの水回収領域に導かれる。
【００１２】
水蒸気を多く含んだ燃焼排ガスは、熱交換器６で冷却された後、水回収装置７に流入し、そこで冷却水と直接接触して冷却されて湿り蒸気となり、一部は凝縮し回収される。残りの排ガスは熱交換器６で加熱された後、煙突を経由して大気に放出される。水回収装置７は、ガス流れに対して直列に複数の水回収手段が配置されており、各水回収手段は、冷却水を流れる排ガスに散布する冷却水散布部と、散布水及び凝縮水を回収する回収部を備える。冷却水散布部と回収部との間を排ガスが流れるよう構成される。また、回収された水の少なくとも一部はガス流れの上流側に位置する水回収手段の冷却水散布部の冷却水として用いられる。具体的には以下に示す。
【００１３】
水回収装置７では冷却水は冷却水管４１を通り、冷却水散布部７１ａで排ガス中に散布され、散布水と凝縮水は回収水部７１ｂに回収される。回収水は戻り水管４３を通り冷却水冷却器８で冷却された後、冷却水管４１を通って冷却水として循環使用される。ところで、７１ｂで回収された回収水の内一部は冷却水分岐管４４，冷却水管４５を経由して、冷却水散布部７２ａに送られる。７２ａに送られた散布水は凝縮潜熱を吸収しているので、７１ａの散布水より温度が高くなっている。７２ａの散布水は７２ｂで回収され回収水管４６，冷却水管４７を通して冷却水散布部７３ａに送られる。このプロセスを繰り返すことにより、水回収装置出口の回収水管５０における回収水は回収水管４２の回収水よりも高温の回収水が得られる。最も上流側の水回収手段の水回収部７９ｂから出る回収水管５０における回収水は水処理装置１０を経由して、圧縮機から出た圧縮空気へ蒸気を混入させる蒸気混入手段に供給される。具体的には、蒸気発生器５に送られ補給水として利用され、圧縮機吐出空気に蒸気が混入される。余剰分は回収水タンク１２に蓄えられる。なお、熱交換器６は水回収した後の排ガスを加熱するためのものであり、この例では、水回収する前の排ガスを熱源としたガス−ガス熱交換器となっているが、別に熱源が得られる場合はそれを利用しても良い。
【００１４】
これにより、温度の異なる回収水が得られる。また、高温の回収水が容易に得られる。このため、排ガスの保有する熱エネルギーをエネルギーの高い状態で回収できる。
【００１５】
図２には、この散布と回収を繰り返し実施するプロセスにおける回収水温度の分布変化を概念図で示してある。ここでは、一例として４段の回収手段を設けた回収装置について示している。水回収装置７の出口側では回収水管４２の回収水の水温は温度Ｔ４２であるが、散布と回収を繰り返す度に回収水の温度は回収水管４６でＴ４６，配管４８でＴ４８に上昇し、水回収装置の入口側では回収水管５０で温度Ｔ５０になる。回収水を混合した場合の平均温度はＴｏであり、本実施例の水回収装置では循環水としてＴｏよりも温度の低いＴ４２の回収水が冷却水冷却器８に送られる。このため、散布水と回収水の温度差を１０℃と想定すると、冷却水冷却器８の熱負荷が約２％低減される。これにより、熱負荷の低減量に相当するだけ、冷却水冷却器８の伝熱面積を減らすことが可能になる。これにより、水回収装置を小型化する事もできる。
【００１６】
あるいは、冷却水量を同一とした場合には回収水量の増加をはかることができる。これは排ガス中の湿分含有率の低下につながり、白煙発生の防止効果が大きくなるという効果もある。いずれかの回収手段において回収される回収水が、他の機器へ供給するのに適するものであれば、複数ある回収手段のうち中間段の回収手段から他の機器への補給水として導いても良い。
【００１７】
また、水回収装置７の入口側ではＴｏよりも温度の高いＴ５０の回収水が補給水として蒸気発生器５に送られる。これにより、例えば図１の例では発電効率を約１％向上させることができる。
【００１８】
図３および図４は多数の水回収手段を備えた水回収装置の具体例で、図３は隔壁１７１，１７２等を設置し各水回収手段の回収水が混合しないようにしたもの、図４は各水回収手段の底面に傾斜を持たせて凹状を形成し、各水回収手段の回収水が混合しないようにした実施例である。
【００１９】
図５は水蒸気を含む排ガス中に冷却水を噴霧した場合の噴霧液滴径と回収時の液滴平均温度の関係を示したものである。液滴径が大きな場合には冷却水と水蒸気の直接接触により液表面の温度は上昇するがその影響は液滴内部には及んでいないため平均温度は低いが、液滴径が小さな場合には、液表面での温度上昇が内部まで及ぶため、平均温度が高くなる。この現象を利用すると、本発明の回収水の温度差を更に大きくすることができる。図６はその実施例で、水回収手段の冷却水散布部の散布水滴はその排ガス下流側に位置する第１の水回収手段の散布水滴より小さくなるようにする。例えば、水回収装置の排ガス流入側の最も排ガス上流側の冷却水散布部７９ａに最も微小な液滴が発生するスプレイノズルを使用し、流出側の最も排ガス下流側の冷却水散布部７１ａに最も大きな液滴が発生するスプレイノズルを使用している。このような構成にすることにより、冷却水散布時の液滴径が排ガスの入口側ほど小さくすることができ、入口側の温度を更に高くできる。この場合の水回収装置内回収水の温度分布推定例を図８に示す。実線が液滴径が一様な場合、破線が液滴径を上記のように変化させた場合である。
回収水の温度差を大きくする別な実施例を図７に示す。この例では水回収装置の入口側に行くほど冷却水散布部と回収部の距離を大きくしてある。このような構造にすることにより水回収装置の入口側ほど、液滴と排ガスの接触時間が長く、凝縮量も増えるため液滴温度が高くなる。
【００２０】
図９は本発明の更に別な実施例を示し、流量検出装置１３の値に基づき流量制御装置９が作動し、蒸気発生器５の蒸発量に相当する量を冷却水散布部７２ａに分岐させている。これにより蒸気量が安定し、出力変動の少ない発電設備の運転が可能になる。
【００２１】
図１０は本発明の装置を燃焼器の圧縮空気に水蒸気を含ませる水蒸気添加型のガスタービン発電システムに適用したシステム構成例である。回収水を補給水として再利用することにより、水蒸気添加型のガスタービン発電システムにおいて課題とされることの多い、補給水の確保が容易になる。また、高温の補給水が得られるので熱効率の良好なシステムを構成することができる。回収条件によっては、外部からの補給水をほとんど不要とするシステム構成も可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、排ガスから複数の温度レベルの回収水を得ることができ、外部に仕事として取り出し可能な有効エネルギーを効率良く回収することができる。また、この装置を水蒸気添加型のガスタービン発電システムに適用し、高温の回収水を補給水として利用すれば、プラント熱効率の向上に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概要図。
【図２】水回収装置内回収水の温度分布概念図。
【図３】水回収装置内の一実施例を示す概要図。
【図４】水回収装置内の一実施例を示す概要図。
【図５】液滴径と液滴温度の関係を説明する図。
【図６】本発明の一実施例を示す概要図。
【図７】本発明の一実施例を示す概要図。
【図８】水回収装置内回収水の温度分布説明図。
【図９】本発明の一実施例を示す概要図。
【図１０】本発明の一実施例を示す概要図。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…空気圧縮機、３…発電機、４…燃焼器、５…蒸気発生器、６…熱交換器、７…水回収装置、８…冷却水冷却器、９…流量制御装置、
１０…水処理装置、１１…ミスト除去装置、１２…回収水タンク、１３…流量検出装置、２０…燃料管、２１…空気吸入管、２２…空気吐出管、２３…管、２４…高温排気管、２５…蒸気供給管、２６…補給水供給管、２７，２８，２９…排ガス吐出管、３０…排気管、４１，４５，４７…冷却水管、４２，４６，５０…回収水管、４３…戻り水管、４４…冷却水分岐管、７１ａ…冷却水散布部、71ｂ…回収水部。
【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】
0003716577.tif 000008
【図８】
0003716577.tif 000009
【図９】
0003716577.tif 000010
【図１０】
0003716577.tif 000011