(57)【要約】本発明は、酸化剤と、炭化水素を含んだ燃料との混合物を燃やす発電機によって放出されるフューム内に存在するＣＯ2の比率を抑えるための方法に関し、それは、燃焼フュームを膨張させること、酸化剤と、フュームとを含むガス混合物を圧縮すること、圧縮された混合物の第１の部分内に存在するＣＯ2の少なくとも一部分を取り除くこと、および燃焼を行うために圧縮された混合物の第２の部分をリサイクルすることにある。本発明はまた、この方法を実施するための装置に関する。
2009508056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤と、炭化水素を含む燃料との混合物を燃やす発電機によって排出されるフューム内に存在するＣＯ2の比率を抑えるための方法であって、
ａ）燃焼フュームを膨張させる段階と、
ｂ）少なくとも部分的に燃焼フュームからなるガスを圧縮する段階と、
ｃ）段階ｂ）で得られた前記圧縮ガスの第１の部分内に存在するＣＯ2の少なくとも一部分を取り除く段階と、
ｄ）段階ｂ）で得られた前記圧縮ガスの第２の部分をリサイクルする段階と、
ただし前記酸化剤が前記圧縮ガスの第２の部分を少なくとも含む、
が行われる方法。
【請求項２】
段階ｂ）の前に、燃焼フュームが、酸素を含むガスと混合され、それにより、段階ｂ）で圧縮された前記ガスは、燃焼フュームおよび酸素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
段階ｄ）の前に、前記圧縮ガスの前記第２の部分が、酸素を含むガスと混合される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記酸素を含むガスが空気である、請求項２および３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記酸素の含有量は、燃焼が化学量論的条件下で行われるように調整される、請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
段階ｂ）で得られた前記圧縮ガスが冷却され、
段階ｄ）の前に、前記圧縮ガスの前記第２の部分が圧縮される、
請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
段階ｃ）で得られたＣＯ2が除去されたガスが膨張し、次に、大気中に排出される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記燃焼フュームが、段階ｃ）で使用される吸収溶液との熱交換によって冷却される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記発電機が触媒燃焼を行う、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
酸化剤と、炭化水素を含む燃料との混合物を燃やす発電機であって、前記発電機が、圧縮機（Ｋ１）、燃焼手段（ＣＯ）、膨張タービン（Ｔ１）、およびガス流内に含まれたＣＯ2を分離するための手段（Ｓ１）を備え、前記圧縮機（Ｋ１）の出口が、一方では、前記燃焼手段（ＣＯ）の入り口に、および他方では、前記ＣＯ2分離手段（Ｓ１）の入り口に、連結されている発電機。
【請求項１１】
燃焼手段（ＣＯ）が触媒バーナを備える、請求項１０に記載の発電機。
【請求項１２】
ＣＯ2分離手段（Ｓ１）が吸収溶媒を用いたカラム、低温蒸留カラム、膜、吸着性分子篩で構成される群から選択される、請求項１０および１１のいずれか一項に記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、ガスタービンの分野に関し、放出される二酸化炭素（ＣＯ2）が好ましい濃度および圧力条件の下で捕集される。
【０００２】
工業時代の始まり以来、エネルギー源として、石炭、天然ガスなど液体または気体の炭化水素など、「化石」と称される燃料を使用することが増えてきた結果として、大気中に存在するＣＯ2の比率が、規則的に増大している。これらの燃料が燃焼すると放出されるＣＯ2は、温室効果の、また数十年にわたって観測されている地球の温暖化の原因であることが証明されている。
【０００３】
したがって、ここ何年かのうちに温室効果を制限するために、燃焼フューム（ｆｕｍｅ）が最終的に排出される前の新しいＣＯ2捕集技術を開発し、実施することは非常に重要なことである。これらの技術は、それらの実施および運転に関して、単純、頑強、効率的、かつできるだけコストのかからないものでなければならない。
【０００４】
熱発電機（ｔｈｅｒｍａｌ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の分野では、第１の解決法は、燃焼フュームが大気中に排出される前に、その燃焼フューム内に存在するＣＯ2を取り除くことにある。使用される方法は、一般的に、低温工学、別の化合物と化学的もしくは物理的に反応することによる吸収、または膜分離に基づいている。しかし、処理すべきフュームが大量であり、大気圧におけるこれらのフューム内ＣＯ2分圧が低いことにより、なぜこれらの解決法が、実施するために複雑で、コストがかかるかが説明される。
【背景技術】
【０００５】
発明の背景
仏国特許出願公開第２，８２５，９３５号公報の文書には、従来技術に対して大きな利点を有するガスタービンのレイアウトが記載されている。図１に示すこのレイアウトにより、加圧下で、またガスタービンの排気口で通常得られる濃度より高い濃度において、ＣＯ2を捕集することが可能になる。しかし、それは、窒素および酸素が蓄積しないようにするために、ガスパージが必要であるという弱点を伴う。したがって、生成されるＣＯ2の一部分は、大気中に排出される。
【特許文献１】仏国特許出願公開第２，８２５，９３５号公報
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、ＣＯ2含有流を排出することを回避しながら、加圧下で比較的濃縮されたガスについてＣＯ2を捕集することを目的とする。
【０００７】
発明の概要
概括的に言えば、本発明は、酸化剤（ｏｘｉｄｉｚｅｒ）と、炭化水素を含む燃料との混合物を燃やす発電機（ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）によって排出されるフューム内に存在するＣＯ2の比率を抑えるための方法に関し、
ａ）燃焼フュームを膨張させる段階と、
ｂ）少なくとも部分的に燃焼フュームからなるガスを圧縮する段階と、
ｃ）段階ｂ）で得られた圧縮ガスの第１の部分内に存在するＣＯ2の少なくとも一部分を取り除く段階と、
ｄ）段階ｂ）で得られた圧縮ガスの第２の部分をリサイクルする段階と、
ただし前記酸化剤が前記圧縮ガスの少なくとも第２の部分を含む、
が実施される。
【０００８】
本発明によれば、段階ｂ）の前に、燃焼フュームは、酸素を含むガスと混合可能であり、それにより、段階ｂ）で圧縮されたガスは、燃焼フュームおよび酸素を含む。代替として、段階ｄ）の前に、圧縮ガスの第２の部分は、酸素を含むガスと混合することができる。
【０００９】
段階ｂ）で得られた圧縮ガスを、冷却することができ、段階ｄ）の前に、圧縮ガスの第２の部分を圧縮することができる。
【００１０】
段階ｃ）で得られたＣＯ2が除去されたガスを、膨張させ、次いで、大気中に排出することができる。
【００１１】
燃焼フュームを、段階ｃ）で使用される吸収溶液との熱交換によって冷却することができる。
【００１２】
発電機は、触媒燃焼を行うことができる。
【００１３】
前記酸素の含有量は、燃焼が化学量論的条件下で行われるように調整可能である。酸素を含むガスは空気であってよい。
【００１４】
本発明はまた、酸化剤と、炭化水素を含む燃料との混合物を燃やす発電機に関し、発電機は、圧縮機、燃焼手段、膨張タービン、およびガス流内に含まれたＣＯ2を分離するための手段を含み、圧縮機の出口は、一方では、燃焼手段の入り口に、および他方では、ＣＯ2の分離手段の入り口に連結されている。
【００１５】
本発明によれば、燃焼手段は、触媒バーナを備えることができる。ＣＯ2分離手段は、吸収溶媒を用いたカラム（ｃｏｌｕｍｎ）、低温蒸留カラム、膜、吸着性分子篩で構成される群から選択することができる。
【００１６】
図面の簡単な説明
本発明の別の特徴および利点は、類似の要素が同一の参照数字によって表される図１から５を参照して、以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。
・図１は、ガスタービンと、ガスの圧縮後にリサイクルされるこのガスについてＣＯ2を捕集するためのデバイスとを含む発電機のレイアウトを、従来技術により示した図である。
・図２は、本発明による発電機を図式的に示した図である。
・図３は、ＣＯ2を捕集するための方法の一例を示した図である。
・図４および５は、本発明による発電機の変形形態を示した図である。
【００１７】
詳細な説明
図１に、液体またはガス状の炭化水素含有燃料（以下に与える例では天然ガス）が燃焼し、ＣＯ2分離デバイスＳ１がそれに続く、ガスタービンタイプの従来技術によるエネルギー発生機を図式的に示す。
【００１８】
この発電機は、
少なくとも１つの圧縮段階を含む圧縮機Ｋ１と、
燃焼チャンバＣＯと、
圧縮機Ｋ１および交流機（ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ）Ａ１を駆動するために必要なエネルギーを供給する膨張タービンＴ１と
を含むガスタービンからなる。
【００１９】
ライン３を通って流れる供給空気は、デバイスの圧縮部の中を循環するガスのＣＯ2含有量を増加させることができるように、リサイクルされた燃焼ガスと混合される。
【００２０】
Ｋ１によって圧縮されたガスは、分離デバイスＳ１によってＣＯ2を抽出するためにライン８を通って迂回する。ライン５を通って回収されるＣＯ2は、例えば下層土（ｓｕｂｓｏｉｌ）に貯留可能である。ＣＯ2捕集は、加圧下で比較的濃縮されたガスについて行われ、それは有利である。しかし、燃焼空気と共に流れる窒素を排出するためにライン２を通ってタービンから流れるガスの一部分を取り除く必要がある。したがって、ＣＯ2は放出される。したがって、ＣＯ2の回収は、限定されたままである。
【００２１】
本発明は、ＣＯ2含有流を排出することを回避しながら、加圧下で比較的濃縮されたガスについてＣＯ2の捕集を可能にすることを目的とする。本発明によれば、これは、排出される窒素と共にＣＯ2を放出することなく、燃焼によって生成されるＣＯ2と、燃焼用空気と共に導入される窒素とを同時に排出可能になるように行われる。
【００２２】
本発明の原理は、図２の図解に関連して説明される。この構成の例では、ライン３を通って流れる空気と混合される燃焼フュームは、圧縮機Ｋ１によって圧縮される。
【００２３】
圧縮ガスの第１の部分は、ライン８を通って迂回される。このガス部分はまず、Ｓ１から排出されたガス部分によってガス−ガス熱交換器Ｅ２で、次に、熱交換器Ｃ２で外部冷却剤によって、冷却される。冷却された圧縮ガスは、分離デバイスＳ１内に送り込まれ、ＣＯ2が窒素から分離される。ＣＯ2は、ライン５を通ってデバイスＳ１から排出され、例えば、再圧縮され、貯留すべき下層土内に注入される。また、少ない割合の酸素も含む、実質的にはＣＯ2を含まず窒素が豊富なガスが、この分離の後で得られる。このガスは、交換器Ｅ２内に通され、ここで加熱され、次に、タービン部Ｔ２内で膨張する。ライン１３を通って排出される膨張ガスは、窒素、少ない割合の酸素を含むが、実際的に、もはやＣＯ2は、含まない。
【００２４】
Ｋ１からの圧縮ガスの第２の部分は、酸化剤として、ライン９を通って燃焼チャンバＣＯ内に送られる。燃料、例えば、液体またはガス状の炭化水素は、ライン６を通ってＣＯ内に送り込まれる。ライン１０を通ってＣＯから排出される燃焼フュームは、タービンＴ１内で膨張し、Ｅ１およびＣ１における熱交換によって冷却され、次に、圧縮機Ｋ１の入り口にリサイクルされる。Ｅ１およびＣ１での冷却によって凝縮された水は、ドラムＢ１においてフュームから分離可能であり、ライン４を通って排出可能である。
【００２５】
任意の既知の方法を使用して、デバイスＳ１でＣＯ2を分離することが可能である。欧州特許第７４４，９８７号公報および国際公開第００／５７，９９０号公報に明記されているように、例えば、物理的または化学的溶媒を使用するＣＯ2吸収法が使用可能である。吸収溶液は、例えば、ＭＥＡ、ＤＧＡおよびＤＩＰＡなどの第１級アミン、ＤＥＡなどの第２級アミン、ＭＤＥＡなどの第３級アミンを含むことが可能である。炭酸カリウム溶液もまた、使用可能である。さらには、デバイスＳ１は、低温蒸留法、膜分離法、およびより具体的には、ガス浸透膜（ｇａｓ  ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）を使用する分離法を実施することが可能であり、または、それは、分子篩への吸着技術の使用に基づいていることが可能である。これらの方法は、例えば、「Ｎａｔｕｒａｌ  ｇａｓ：ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔ」（Ａ．ＲｏｊｅｙおよびＣ．Ｊａｆｆｒｅｔ）、Ｅｄｉｔｉｏｎｓ  Ｔｅｃｈｎｉｐ、パリ、１９９７年に記載されている。
【００２６】
図３では、デバイスＳ１において、溶媒を使用するＣＯ2吸収法が実施される。図３に関連して説明する方法は、図２によって説明した方法に統合され、同一の参照番号は、同一の要素を示している。図３では、ライン８を通って流れる圧縮ガスは、熱交換器Ｅ２およびＣ２によって冷却され、次に、ＣＯ2を吸収するアミンを含む溶媒と接触するために吸収カラムＣＡ１内に送り込まれる。溶媒は、蒸留カラムＣＤ２内で再生される。図３に示す構成例では、蒸留カラムＣＤ２は、一方では、蒸留カラムの底部に配置されたリボイラＲＢ１とともに、およびカラムの底部と頂部の間の中間段において配置された中間リボイラＲＢ２とともに、動作する。膨張し、リサイクルされるガス部分は、冷却される必要がある。この場合、ＣＯ2を捕集するために使用される溶媒を再生するために、少なくとも部分的に利用可能な熱を回収することは有利である。
【００２７】
２つのリボイラＲＢ１およびＲＢ２により、広範な温度領域内で熱を回収することが可能になる。したがって、ライン１を通ってタービンＴ１を出るガスがまず、熱交換器Ｅ１内で冷却され、ここでそれは、追加の電力を生成する凝縮サイクルを提供することが可能である蒸気を生成する。次に、それは、リボイラＲＢ１およびＲＢ２に送り込まれ、ここでそれは、蒸留カラムＣＤ２内の溶媒の再生に必要な熱を提供する。そのガスは、次に、最終の冷却交換器Ｃ１に送られる。また、タービン部Ｔ１の排出ガスについて熱を回収し、リボイラＲＢ１およびＲＢ２を加熱することを可能にする補助熱媒体を使用することも可能である。
【００２８】
デバイスＳ１に送り込まれるガス内の酸素の存在は、いくつかの場合において、好都合ではないことがある。実際、Ｓ１が溶媒を使用するＣＯ2吸収法を実施する場合には、酸素の存在は、溶媒の化学安定性に影響を及ぼすことがある。その上、酸素の損失により、供給空気流量を増加させることが必要になり、それは、デバイスの全体的な効率にとって有利ではない。
【００２９】
デバイスＳ１によって処理されるガス内のこの酸素の存在は、図４に示すレイアウトを使用して回避可能である。
【００３０】
ライン１を通って流れるフュームは、圧縮ゾーンＫ１内で圧縮される。ライン３を通って流れ込む空気は、圧縮ゾーンＫ１とは異なる圧縮ゾーンＫ２内で圧縮される。例えば、Ｋ１およびＫ２は、２つの異なる圧縮機であってよい。Ｋ１およびＫ２はまた、２つの異なる圧縮段階であってよく、単一の駆動軸上に取付け可能である。Ｋ２内で圧縮された空気は、ライン９を通ってＫ１から排出されるガス部分と混合される。加圧下のこのガス混合物は、燃焼チャンバＣＯ内に送り込まれる。このような条件下では、ライン８を通って排出されるガス部分は、窒素およびＣＯ2を含むが、実際的に、酸素を含まず、それにより、実際的には、純窒素がライン１３を通って排出されることが可能になる。
【００３１】
図５には、図２に図式的に示した方法の変形形態を示す。図５では、圧縮機Ｋ１によって圧縮された空気とフュームとの混合物が熱交換器Ｅ３で冷却され、次に、それはライン８および９を通って排出される２つのガス部分に分けられる。ライン８を流れるガス部分は、デバイスＳ１内でＣＯ2が除かれ、次に、タービンＴ２内で膨張する。ＣＯ2が除去されたガスは、タービンＴ２内で膨張する。ライン９を流れるガス部分は、圧縮ゾーンＫ３内で圧縮され、次に、ライン７を通って燃焼チャンバＣＯ内に送り込まれる。
【００３２】
図５に示した変形形態は、中間冷却と一般には称される中間冷却段階を圧縮機に含むガスタービンに対応する。交換器Ｅ３により、一方では、Ｋ３によって圧縮しようとしているガスを冷却することが可能になり、他方では、デバイスＳ１に送られるガスを冷却することが可能になる。したがって、ＣＯ2の捕集には、追加の熱交換器は必要ではない。
【００３３】
代替として、Ｋ１における圧縮の前に空気をフュームと混合する代わりに、空気を、圧縮機Ｋ１とは異なる圧縮機によって圧縮し、次に、ライン９または７内を流れるガス部分と混合し、酸化剤として燃焼チャンバＣＯ内に送り込むことができる。
【００３４】
本発明の利点を、以下の数値例により示す。
【００３５】
例１（従来技術による）
図１に関連して説明した装置と同様の装置がこの例では使用される。出願者によって行われたシミュレーションによれば、空気は、流量２１，９６６ｋｍｏｌ／ｈ（時間当たりのキロモル）で、ライン３を通って流れる。燃料は、流量２３０６ｋｍｏｌ／ｈで、ライン６を通ってチャンバＣＯ内に送り込まれる天然ガスからなる。導入される空気の全量は、流量が２６，６００ｋｍｏｌ／ｈ（フュームのリサイクル率約６０％に対応する）であるドラムＢ１からリサイクルされる低温フュームと、圧縮機の上流で混合される。
【００３６】
この混合物は、圧縮機Ｋ１によって３０バール（３ＭＰａ）に圧縮される。加圧下でのガスは、５０℃に冷却され、次に、それは、アミンの、および圧縮ガスの向流液体循環（ｃｏｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）が行われるカラムである吸収手段Ｓ１に送られる。カラムは、混合物内に含まれる９０％のＣＯ2が吸収されるように規定される（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｅｄ）。混合物が含んでいたＣＯ2の大部分が取り除かれた混合物は、次に、ライン７を介して、触媒バーナを備えた燃焼チャンバＣＯに送られる。
【００３７】
温度が約１３００℃であるフュームは、膨張タービンＴ１の吸気口に送り込まれる。膨張タービンの排気口では、処理されたフュームのモル流量は、４８，４７０ｋｍｏｌ／ｈであり、その約６０％が圧縮機Ｋ１にリサイクルされる。ライン２を通って排出される二酸化炭素の流量は、この場合、約１０２６ｋｍｏｌ／ｈである。このユニットにおけるＣＯ2捕集率は、したがって、４４．５％である。
【００３８】
例２（本発明による）
図２に関連して説明した装置と同様の装置がこの例では使用される。出願者によって行われたシミュレーションによれば、空気は、流量４３，９２０ｋｍｏｌ／ｈ（時間当たりのキロモル）で、ライン３を通って流れる。燃料は、流量２３０６ｋｍｏｌ／ｈで、ライン６を通ってチャンバＣＯ内に送り込まれる天然ガスからなる。導入される空気の全量は、流量が４１，０３８ｋｍｏｌ／ｈ（フュームのリサイクル率１００％に対応する）であるドラムＢ１からリサイクルされる低温フュームと、圧縮機の上流で混合される。
【００３９】
この混合物は、圧縮機Ｋ１によって３０バール（３ＭＰａ）に圧縮される。この混合物の一部分は、ライン９を介して、燃焼チャンバＣＯに送られる。温度が約１３００℃であるフュームは、膨張タービンＴ１の吸気口に送り込まれる。圧縮された混合物の他の部分は、ライン８を通って排出される。加圧下でのこのガスは、交換器Ｅ２およびＣ２で５０℃に冷却され、次に、それは、アミンの、および圧縮ガスの向流液体循環が行われるカラムである吸収手段Ｓ１に送られる。カラムは、混合物内に含まれる９０％のＣＯ2がアミン流によって吸収されるように規定される。混合物が含んでいたＣＯ2の大部分が取り除かれた混合物は、次に、ライン２を介して、膨張タービンＴ２内に送られる。
【００４０】
ライン１３を通って排出される二酸化炭素の流量は、この場合、約２３０ｋｍｏｌ／ｈである。このユニットにおけるＣＯ2捕集率は、したがって、９０％である。
【００４１】
例３（本発明による）
図４に関連して説明した装置と同様の装置がこの例では使用される。出願者によって行われたシミュレーションによれば、空気は、流量２１，９６６ｋｍｏｌ／ｈで、ライン３を通って流れる。それは、圧縮機Ｋ２によって３０バール（３ＭＰａ）に圧縮される。燃料は、流量２３０６ｋｍｏｌ／ｈで、ライン６を通ってチャンバＣＯ内に送り込まれる天然ガスからなる。空気は、次に、流量が４７，８１６ｋｍｏｌ／ｈである圧縮機Ｋ１からリサイクルされるフュームの一部分と、燃焼チャンバＣＯの上流で混合される。
【００４２】
温度が約１３００℃であるフュームは、膨張タービンＴ１の吸気口に送り込まれ、次に圧縮機Ｋ１にリサイクルされる。
【００４３】
混合物の一部分は、ライン８を通って排出される。加圧下のこのガスは、交換器Ｅ２およびＣ２で５０℃に冷却され、次に、それはアミンの、および圧縮ガスの向流液体循環が行われるカラムである吸収手段Ｓ１に送られる。カラムは、混合物内に含まれる９０％のＣＯ2が吸収されるように規定される。混合物が含んでいたＣＯ2の大部分が取り除かれた混合物は、次に、ライン２を介して、膨張タービンＴ２内に送られる。
【００４４】
ライン１３を通って排出される二酸化炭素の流量は、この場合、約２３０ｋｍｏｌ／ｈである。このユニットにおけるＣＯ2の捕集率は、したがって、９０％である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】ガスタービンと、ガスの圧縮後にリサイクルされるこのガスについてＣＯ2を捕集するためのデバイスとを含む発電機のレイアウトを、従来技術により示した図である。
【図２】本発明による発電機を図式的に示した図である。
【図３】ＣＯ2を捕集するための方法の一例を示した図である。
【図４】本発明による発電機の変形形態を示した図である。
【図５】本発明による発電機の変形形態を示した図である。
【符号の説明】
【００４６】
Ｋ１    圧縮機
ＣＯ  燃焼手段
Ｔ１  膨張タービン
Ａ１  交流機
Ｅ１、Ｅ２、Ｃ１，Ｃ２  熱交換器
Ｂ１    ドラム
Ｓ１    ＣＯ2分離手段
【図１】
2009508056.tif 000003
【図２】
2009508056.tif 000004
【図３】
2009508056.tif 000005
【図４】
2009508056.tif 000006
【図５】
2009508056.tif 000007
【国際調査報告】
2009508056.tif 000008
2009508056.tif 000009
2009508056.tif 000010
2009508056.tif 000011
2009508056.tif 000012
2009508056.tif 000013