(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭層から回収したメタンガスを空気から分離した酸素で燃焼させた燃焼ガスで酸素燃焼式のガスタービンを駆動し、該ガスタービンから排出される二酸化炭素を酸素を分離した後の窒素を主成分とする空気と一緒に前記石炭層に圧入して該二酸化炭素を石炭層中に固定すると共に、該石炭層からのメタンガス回収を促進し前記ガスタービンに供給することにより、二酸化炭素の大気放出を抑制したクローズドシステムとすることを特徴とするガスタービン設備。
【請求項２】
空気から酸素を抽出する酸素製造装置と、該酸素製造装置で抽出した酸素を供給してメタンを燃焼させるメタン酸素燃焼器を備えた酸素燃焼式ガスタービンと、該ガスタービンの燃焼ガスから二酸化炭素を分離する排ガスコンデンサーと、該排ガスコンデンサーで分離した二酸化炭素と前記酸素製造器で生成する窒素ガスを加圧するガスコンプレッサーと、地下の石炭層にガスを送り込む圧送管と石炭層からメタンを回収する回収管を備え、該ガスコンプレッサーで製造された加圧ガスを前記圧送管から石炭層に圧入して押し出されるメタンガスを前記回収管から回収し、該回収したメタンガスを前記酸素燃焼器に供給するようにして、二酸化炭素ガスの外部大気への放出を抑制することを特徴とするガスタービン設備。
【請求項３】
前記ガスタービンの回転軸が発電機と接続されて電気を製造することを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン設備。
【請求項４】
さらに、廃熱回収ボイラを前記ガスタービンの燃焼ガス排出配管に備え、蒸気タービン発電機を備えて、該廃熱回収ボイラで製造する蒸気を該蒸気タービン発電機に供給して発電することを特徴とする請求項３記載のガスタービン設備。
【請求項５】
石炭層に送入するガスの組成を操業開始時には窒素ガス成分を大きくし経時に従って二酸化炭素ガス成分を増加させていくことにより、石炭層ガスの回収量を増大させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガスタービン設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生成した二酸化炭素を窒素と一緒に圧入して地下の石炭層から回収したメタンガスを酸素で燃焼させることによりクローズ化したガスタービン設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業活動が著しく活発になったため、人工的に放出される二酸化炭素が地球規模の環境破壊をもたらすことが強く懸念されている。特に化石燃料を使用した発電設備から排出される二酸化炭素量は大きく、この二酸化炭素ガスの大気放出を抑制することが求められている。
【０００３】
二酸化炭素の大気放出を抑制する要求に対して各所で研究が進められており、新エネルギー産業技術開発機構（ＮＥＤＯ）でも、発電設備における二酸化炭素排出量の低減を目標として、発電効率の高いクローズド型ガスタービン発電システムが研究されている。
ここで研究されているガスタービン発電システムは、メタン酸素燃焼器を備えたクローズドサイクル式ガスタービンに対して蒸気タービンを同軸に複合したものである。メタン酸素燃焼器で、高圧蒸気タービンから排出される蒸気を一緒に加熱し、高温ガスタービンで駆動ガスとして利用した後で、一部を抽気して蒸気低圧タービンに供給している。
【０００４】
メタン酸素燃焼器で発生する二酸化炭素ガスの大部分はガスタービン内を循環するが、低圧蒸気タービンに引き出す蒸気に随伴した分は蒸気タービンの復水器で分離し、圧縮機で高圧化し適当な方法で貯留固定して回収する。
このように、ガスタービンシステムをクローズド化することにより二酸化炭素の回収を容易にすることができるが、実現のためには高度な技術が必要であり現在開発途上である。
なお、この新しいシステムで使用する二酸化炭素の回収方法は明らかにされていないが、火力発電所などから排出される二酸化炭素を大気中に放出して温暖化ガスとすることなく回収する有望な方法として、たとえば、液化して海底に貯留する方法や地下帯水層に圧入する方法などが知されている。特に海底に貯留する方法は容量が大きく期待されるが、数１０年あるいは数１００年という長期スパンで考えたときに、液体二酸化炭素ガスが再び大気に解放されることになろうことに注意しなければならない。
【０００５】
一方、エネルギ需要の増大に伴い様々のエネルギ源が開発されているが、石炭層に含まれる石炭層ガスが注目されている。石炭層は世界中に分布する上、石炭の埋蔵量は膨大である。石炭層にはメタンを主成分とする多量の石炭層ガスが存在している。しかし、従来は、石炭層ガスは採炭時の危険を防止するため、採炭前は十分にガス抜きをし採炭中は坑道に空気を送って換気し大気に放出するか、所内の燃料として用いられていた。
石炭層ガスは、石炭に吸着された状態で石炭の質によらず大量に存在するが、石炭が大気に露出したり流体を石炭層に圧入することにより放出されることが知られている。そこで、採炭不能の石炭層や採算性が悪化して採掘できなくなった石炭層などを対象として、メタンガスを回収して利用することが考えられる。
さらに、石炭層は、地下にあって二酸化炭素ガスを吸着して固定するため、有望な廃棄場所になる可能性を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、石炭層ガスを燃料とし発生する二酸化炭素ガスをほぼ全量回収して大気中に放出しないようにするガスタービンシステム、特にガスタービン発電システムを提供することである。また、燃料の石炭層ガスを石炭層からできるだけ多量に回収するようにしたシステムを供給することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のガスタービン設備は、石炭層から回収した石炭層ガスを空気から分離した酸素で燃焼させて酸素燃焼式のガスタービンを駆動し、排出される二酸化炭素を酸素を分離した後の窒素を主成分とする空気と一緒に地中の石炭層に圧入して二酸化炭素を石炭層中に固定すると共に、圧入ガスの働きにより石炭層メタンを地上に回収してガスタービンの燃料として供給するようにしたことにより、二酸化炭素の大気放出を抑制することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のガスタービン設備は、空気から酸素を抽出する酸素製造装置と、酸素製造装置で抽出した酸素を供給してメタンを燃焼させるメタン酸素燃焼器を備えたガスタービンと、ガスタービンの燃焼ガスから二酸化炭素を分離する排ガスコンデンサーと、排ガスコンデンサーで分離した二酸化炭素と酸素製造器で生成した窒素ガスを加圧するガスコンプレッサーと、地下の石炭層にガスを送り込む圧送管と石炭層からメタンを回収する回収管を備えることを特徴とする。そして、ガスコンプレッサーで製造された加圧ガスを圧送管から石炭層に圧入して押し出されるメタンガスを回収管から回収し、回収メタンガスを酸素燃焼器に供給するようにして、排ガスの外部放出を抑制する。
【０００９】
地下の石炭層は吸着能力を有するため二酸化炭素ガスを圧入すると石炭層内に固定されることが知られている。一方、石炭の質によらず石炭層にはメタンを主成分とする多量の石炭層ガスが含有されていて二酸化炭素ガスを石炭層に圧入することにより層内で流動するので、適当な位置に回収管を設けてメタンガスを地上に回収することができる。
この回収メタンはガスタービンの燃料として使用する。
【００１０】
なお、酸素ガスを含むガスを圧入するとメタンが地下で燃焼して危険でありまた回収ガス中の可燃成分が減少し燃料として使用できなくなる。したがって、二酸化炭素を圧入ガスとして使用するときにガス量が不足すれば不燃性ガスを加える必要があるが、酸素を除いて窒素など不燃性ガスが残った空気を添加するようにすれば、燃焼する心配がない。
また、二酸化炭素ガスの圧入により石炭層ガスを回収するときは、長期にわたって回収することができるが、回収総量が十分大きくない。一方、窒素ガスを圧入することによっても回収できるが、この場合は初期に大量の石炭層ガスが放出されるが、直ぐに放出されなくなり、十分な量の回収ができない。
【００１１】
ところが、初期に窒素ガスの割合を大きくし、時間の経過と共に徐々に二酸化炭素ガスの割合を増加させていくと、比較的初期の状態から結構な量の石炭層ガスを得ることができ、しかも時間が経過しても生産量が余り低下せず、最終的な回収総量も二酸化炭素ガスのみの場合のたとえば５倍程度と大きくなることが分かった。
そこで、ガスタービン設備から発生する二酸化炭素ガスに酸素を分離して窒素成分が大きくなった空気を混合して地下の石炭層に圧入するときに、操業の初期には窒素ガスの組成割合を大きくして、経時にしたがって窒素ガスの割合を減少させるようにして石炭層ガスの回収量を確保するようにすることが好ましい。
【００１２】
本発明のガスタービン設備は、地中の石炭層から回収したメタンガスを燃料とし、空気から分離した酸素を助燃剤として燃焼器で燃焼させ、燃焼器で発生する二酸化炭素を空気から分離した窒素ガスと一緒に地下の石炭層に圧入して石炭層内に固定するようにした。したがって、発生する二酸化炭素ガスの殆ど全量を地中に固定して、大気中に放出しないようにすることができる。しかも、石炭層メタンを回収するために、酸素を抽出した後の空気と二酸化炭素ガスを利用するので無駄がない。
【００１３】
本発明のガスタービン設備は、ガスタービン回転軸を発電機と接続したものであっても良い。また、さらに、廃熱回収ボイラをガスタービンの燃焼ガス排出配管に備え、蒸気タービン発電機を備えて、廃熱回収ボイラで製造する蒸気を蒸気タービン発電機に供給して発電するようにしてもよい。
これら、ガスタービンや蒸気タービンに発電機を接続した発電設備は、燃料の燃焼により発生する二酸化炭素をほぼ全量地下の石炭層に固定することができるので、従来の発電所のように発電に伴って二酸化炭素を大気放出して環境汚染や地球温暖化の原因になることがない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明のガスタービン設備の実施例を表すブロック図、図２は圧入ガスをパラメータとした石炭層ガス回収量の経時変化を説明するグラフ、図３は本実施例を適用したプラントのマテリアルバランス図である。
図１に示したガスタービン設備は、ガスタービン装置１と蒸気タービン装置２と酸素製造装置３と二酸化炭素ガス・石炭層ガス処理設備からなる。
【００１５】
ガスタービン装置１は、圧縮機１１とメタン酸素燃焼器１２とガスタービン１３とガスタービン発電機１４を備える。圧縮機１１とガスタービン１３とガスタービン発電機１４は同軸で接続され、タービン１３の回転力により発電をして需要家に分配する。
メタン酸素燃焼器１２では、酸素ガスとメタンを主成分とする石炭層ガスを直接噴霧させて燃焼させ、燃焼ガスをガスタービン１３に導いて駆動する。タービン１３の排ガスには石炭層ガスの燃焼で発生した二酸化炭素と水が多量に含まれている。
【００１６】
ガスタービン１３の排気配管には排ガスコンデンサー１５が設けられており、排ガスが排ガスコンデンサー１５に導かれて凝縮水が回収され、凝縮しない二酸化炭素ガスと希釈ガスが圧縮機１１に戻される。
このとき、ガスタービン装置１で循環使用されない過剰のガスは回収ガスとしてガスコンプレッションモジュール４に送られる。回収ガスは排ガスから水を除去したもので、ガスタービンで新たに発生したと同じ量の二酸化炭素が含まれることになる。
【００１７】
また、ガスタービンの排気配管には、廃熱回収ボイラ２１が設けられていて、回収された排ガスの熱で蒸気を作って蒸気タービン装置２により発電して需要家に供給する。
廃熱回収ボイラ２１は、給水ポンプ２８で供給される水を排ガスにより加熱して蒸気タービン発電機２２に送る。蒸気タービン２２には発電機２３が付設されている。蒸気タービン２２で圧力低下した蒸気は復水器２４で水になり、復水ポンプ２５、給水加熱器２６、脱気器２７を通って給水ポンプ２８で廃熱回収ボイラ２１に供給される。水は再び高温蒸気となり蒸気タービン２２を駆動して発電機２３により電気を製造して需要家に分配する。
【００１８】
本ガスタービン設備には、酸素製造装置３が付設されている。
酸素製造装置３は、空気から酸素を分離する装置で、たとえば空気を冷やして沸点の差から酸素を分離する。酸素製造装置３で製造された酸素はメタン酸素燃焼器１２に送られ、酸素を抽出した後の窒素が主成分となる空気成分はガスコンプレッションモジュール４に送られる。
【００１９】
二酸化炭素ガス・石炭層ガス処理設備は、ガスコンプレッションモジュール４と圧送管５と回収管６からなる。
ガスコンプレッションモジュール４は、酸素以外の空気成分と二酸化炭素を一緒に加圧して、地下の石炭層７に達する圧送管５に送り、圧送管５の石炭層７位置に開設された開口から石炭層７に圧入する。
【００２０】
圧送管５から適当に離れた位置に石炭層７に達する回収管６を設けてある。回収管６には石炭層７に当たる位置に開口が設けられている。石炭層７にはメタンを主成分とする多量の石炭層ガスが含有されていて、回収管６に流入した石炭層ガスは地上に回収することができる。なお、石炭層ガスの圧力が不足する場合は地上に設けた吸引装置の力を利用して地上まで回収するようにしてもよい。
【００２１】
二酸化炭素と窒素を含むガスを石炭層７に圧入すると、いわゆるガス押し作用により石炭層ガスが押されて圧力が周囲より低くなった回収管６の方向に集まる。このため、適当な位置に回収管６を設けて回収ガス等を圧入することによりメタンを主成分とする石炭層ガスを効率よく地上に回収することができる。
この石炭層ガスはメタン酸素燃焼器１２に供給してガスタービンの燃料として使用する。
【００２２】
なお、石炭層ガスの回収率は、圧入するガスの組成により変化する。
図２は、組成により石炭層ガスの回収量が変化する様子を横軸に時間を取って概念的に説明するグラフである。
二酸化炭素ガスのみを用いた場合は、徐々に石炭ガス回収量が増加して、やがてほぼ一定の回収量となり、長期にわたってこの状態が持続する。これに対して、窒素ガスのみを用いたときは、初めに急激に回収量が増加するが、やがて急激に回収量が減少してしまう。
【００２３】
ところが、窒素ガスと二酸化炭素ガスを適当に混合したガスを用いると、回収できる石炭層ガスの総量が顕著に増大するばかりでなく、窒素ガスと二酸化炭素ガスの成分比を時歴的に制御し、初めに窒素ガスの割合を大きくして徐々に割合を小さくしていくことにより、比較的早期に一定回収量に達して、しかも回収量が増大し、回収総量も二酸化炭素ガスのみの場合と比較してたとえば５倍程度と大きくなることが分かった。
したがって、本実施例のガスタービン設備においても、圧入ガスの組成調整手段を備えて、窒素ガスと二酸化炭素ガスの成分比を経時的に最適に変化させることができるようにすることが好ましい。
【００２４】
なお、酸素ガスを含むガスを圧入するとメタンが地下で燃焼して危険でありまた回収ガス中の可燃成分が減少し燃料として使用できなくなる。したがって、二酸化炭素を圧入ガスとして使用するときにガス量が不足すれば不燃性ガスを加える必要があるが、本実施例におけるように酸素を除いて窒素など不燃性ガスが残った空気を用いるようにすれば、地下で石炭層ガスが燃焼する心配がない。
【００２５】
さらに、地下の石炭層７は吸着能力を有するため圧入された二酸化炭素ガスは地上に戻らないで石炭層内に固定されるので、本実施例のガスタービン設備を用いると二酸化炭素を大気中に放出しないで済む。
また、メタンを酸素により燃焼させる方式は、窒素を含む空気で燃焼させる場合と異なり、排ガス中にＮＯＸが含まれないため環境を汚染する度合いが小さく好ましい。
なお、石炭層ガスは必ずしも良質の石炭層で大量に発生するものでもなく、既に商業的採掘が終了した劣化炭層や泥炭などの低質炭層においても回収することができるので、本発明のガスタービン設備を炭田の再生・活用手段として利用することも可能である。
【００２６】
次に、公称出力７ＭＷ規模の発電プラントに本発明を適用したときのマテリアルバランス例を図３に示す。
対象とした発電設備は、１６．６９×１０６kcal/hrの天然ガスを燃料とし流量２１．５kg/secの空気を用いて空気温度１５℃において５６７０ｋWの出力を有するガスタービン発電装置と２３００ｋWの能力を有する蒸気タービン発電装置を備えたものである。総出力は７９８０ｋWとなる。
【００２７】
メタンガスが１００％を占める石炭層ガスを使用すると、この装置では石炭層ガスを１９５０m３/hr必要とする。この石炭層ガスを完全燃焼させるために、酸素ガスは少なくとも３９００m３/hr供給する必要がある。なお、上記ガスタービン発電装置は、この約３倍の酸素ガスを含む空気を供給して過給状態で運転しているが、純酸素を使用することによって効率を高めることができるので、図３のでは、実質的な可用性を検討するため燃焼ロスを考慮しない値を用いている。
燃焼により発生する水は３１３６kg/hrとなり、また蒸気タービン装置を駆動するための蒸気の流量は熱バランスから１１３００kg/hrと算定される。
【００２８】
空気から酸素を分離するために必要な動力は酸素１m３当たり０．３３ｋWとされるから、３９００m３/hrの酸素を製造するためには１２８８ｋWを消費する。また、これ以外に設備内で自家消費する電力は約４００ｋWと見積もられるから、外部に供給できる電力は５４９０ｋWと算定できる。
なお、  同時に製造される窒素ガスは１５６００m３/hrとなり、必要な空気は２７８７０m３/hrとなる。
燃焼により発生する二酸化炭素ガスは１９５０m３/hrとなり、稼働率８０％と想定すると年間では７２７３Tに達するが、これは全量石炭層に固定される。
【００２９】
なお、窒素ガスと二酸化炭素ガスを混入したガスを用いるとメタン生産量は約５倍になるとされるから、１９５０m３/hrの石炭層ガスを得るためには、たとえば北海道空知支庁の赤平炭坑に設けられている３本のメタン回収井を６本に増やすことでも対処できると推測できる。
このシステムは、設備内で発生する二酸化炭素ガス全量を窒素ガスと共に石炭層中に圧入して固定するので大気中に二酸化炭素ガスの放出を行わず、ガスの圧入により炭層から回収する石炭層ガスを利用した発電により結局約５５００ｋWの電力を外部に供給することができる。発電効率は２８．２％となり、この電力供給能力は年間３８．４×１０６kWhとなる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のガスタービン設備により発電したときには、ガスタービンで発生する二酸化炭素を地下の石炭層に圧送して石炭層ガスを押し出すために使用すると共に、石炭層中に固定するので、大気中に二酸化炭素ガスを放出して環境破壊することを防ぐことができる。
また、地下の石炭層から回収したメタンガスをガスタービンの燃料に使用することができるので、燃料の生産と排気ガスの処理をクローズドシステムとして構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例におけるガスタービン設備のブロック図である。
【図２】石炭層ガスの回収量の経時変化を説明するグラフである。
【図３】本実施例を適用したプラントのマテリアルバランス例を示す図面である。
【符号の説明】
１  ガスタービン装置
１１  圧縮機
１２  メタン酸素燃焼器
１３  ガスタービン
１４  ガスタービン発電機
１５  排ガスコンデンサー
２  蒸気タービン装置
２１  排熱回収ボイラ
２２  蒸気タービン
２３  蒸気タービン発電機
２４  復水器
２５  復水ポンプ
２６  給水加熱器
２７  脱気器
２８  給水ポンプ
３  酸素製造装置
４  ガスコンプレッションモジュール
５  圧送管
６  回収管
７  石炭層
【図１】
0003690514.tif 000002
【図２】
0003690514.tif 000003
【図３】
0003690514.tif 000004