(57)【要約】【課題】高圧燃料ガスの圧力エネルギーを有効活用してプラント全体としての出力及び効率を向上可能なプラントを提供する。【解決手段】プラントは、高圧燃料ガスを供給するための燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインに設けられ、前記高圧燃料ガスを膨張させて該高圧燃料ガスから動力を取り出すように構成された少なくとも一つの膨張機と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧燃料ガスを供給するための燃料供給ラインと、
前記燃料供給ラインに設けられ、前記高圧燃料ガスを膨張させて該高圧燃料ガスから動力を取り出すように構成された少なくとも一つの膨張機と、
を備えることを特徴とするプラント。
【請求項２】
前記少なくとも一つの膨張機のうち何れかの膨張機の上流側において前記燃料供給ラインに設けられ、該膨張機に流入する前記高圧燃料ガスを加熱するための加熱器を備えることを特徴とする請求項１に記載のプラント。
【請求項３】
前記少なくとも一つの膨張機は、前記高圧燃料ガスの流れ方向に並べて設けられた複数の膨張機を含み、
前記複数の膨張機のそれぞれに対応して各々の前記膨張機の上流側において前記燃料供給ラインに設けられ、各々の前記膨張機に流入する前記高圧燃料ガスを加熱するための複数の加熱器を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラント。
【請求項４】
ＣＯ２リッチガスが流れるＣＯ２リッチガスラインと、
前記ＣＯ２リッチガスラインに設けられ、前記ＣＯ２リッチガスを昇圧するための少なくとも一つの圧縮機をさらに備え、
前記加熱器は、前記少なくとも一つの圧縮機の排熱により、前記高圧燃料ガスを加熱するように構成されたことを特徴とする請求項２又は３に記載のプラント。
【請求項５】
前記少なくとも一つの圧縮機は、前記ＣＯ２リッチガスラインに直列に並べて設けられた複数の圧縮機を含み、
前記加熱器は、前記複数の圧縮機のうち隣り合う一対の圧縮機間を流れる前記ＣＯ２リッチガスとの熱交換により前記高圧燃料ガスを加熱するように構成された
ことを特徴とする請求項４に記載のプラント。
【請求項６】
前記少なくとも一つの圧縮機は、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて、隣り合う一対の圧縮機間に前記加熱器が介在する複数の上流側圧縮機と、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて前記上流側圧縮機よりも下流側に設けられる１以上の下流側圧縮機と、
を含み、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて、複数の前記上流側圧縮機のうち最も下流側に位置する圧縮機と前記下流側圧縮機との間、または、隣り合う一対の前記下流側圧縮機の間に設けられ、前記高圧燃料ガス以外の冷却媒体により前記ＣＯ２リッチガスを冷却するように構成された熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のプラント。
【請求項７】
前記少なくとも一つの圧縮機の下流側において前記ＣＯ２リッチガスラインに設けられ、前記少なくとも一つの圧縮機で昇圧された前記ＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するためのＣＯ２分離装置をさらに備えることを特徴とする請求項４乃至６の何れか一項に記載のプラント。
【請求項８】
アノードと、二酸化炭素を含む排ガスが供給されるカソードと、前記排ガス中に含まれる二酸化炭素由来の炭酸イオンを前記カソードから前記アノードに移動させるように構成された電解質と、を含む燃料電池をさらに備え、
前記少なくとも一つの圧縮機は、前記アノードの出口ガス由来の前記ＣＯ２リッチガスを圧縮するように構成され、
前記燃料電池の前記アノードは、前記少なくとも一つの膨張機により動力が回収された前記高圧燃料ガスが供給されるように構成された
ことを特徴とする請求項４乃至７の何れか一項に記載のプラント。
【請求項９】
前記少なくとも一つの圧縮機は、前記少なくとも一つの膨張機で取り出した前記動力を用いて駆動されるように構成された
ことを特徴とする請求項４乃至８の何れか一項に記載のプラント。
【請求項１０】
燃料供給ラインを介して高圧燃料ガスを供給するステップと、
前記燃料供給ラインに設けられた少なくとも一つの膨張機により、前記高圧燃料ガスを膨張させて該高圧燃料ガスから動力を取り出すステップと、
を備えることを特徴とするプラントの運転方法。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの膨張機のうち何れかの膨張機の上流側において前記燃料供給ラインに設けられた加熱器を用いて、該膨張機に流入する前記高圧燃料ガスを加熱するステップを備えることを特徴とする請求項１０に記載のプラントの運転方法。
【請求項１２】
ＣＯ２リッチガスが流れるＣＯ２リッチガスラインに設けられた少なくとも一つの圧縮機により、前記ＣＯ２リッチガスを昇圧するステップをさらに備え、
前記高圧燃料ガスを加熱するステップでは、前記少なくとも一つの圧縮機の排熱により、前記高圧燃料ガスを加熱する
ことを特徴とする請求項１１に記載のプラントの運転方法。
【請求項１３】
前記少なくとも一つの圧縮機は、前記ＣＯ２リッチガスラインに直列に並べて設けられた複数の圧縮機を含み、
前記高圧燃料ガスを加熱するステップでは、前記複数の圧縮機のうち隣り合う一対の圧縮機間を流れる前記ＣＯ２リッチガスとの熱交換により前記高圧燃料ガスを加熱する
ことを特徴とする請求項１２に記載のプラントの運転方法。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの圧縮機は、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて、隣り合う一対の圧縮機間に前記加熱器が介在する複数の上流側圧縮機と、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて前記上流側圧縮機よりも下流側に設けられる１以上の下流側圧縮機と、
を含み、
複数の前記上流側圧縮機のうち最も下流側に位置する圧縮機と前記下流側圧縮機との間、または、前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて隣り合う一対の前記下流側圧縮機の間に設けられる熱交換器において、前記高圧燃料ガス以外の冷却媒体により前記ＣＯ２リッチガスを冷却するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のプラントの運転方法。
【請求項１５】
前記少なくとも一つの圧縮機の下流側において前記ＣＯ２リッチガスラインに設けられたＣＯ２分離装置により、前記少なくとも一つの圧縮機で昇圧された前記ＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１２乃至１４の何れか一項に記載のプラントの運転方法。
【請求項１６】
二酸化炭素を含む排ガスの少なくとも一部を燃料電池のカソードに供給するステップと、
前記燃料電池の電解質内において、前記排ガス中の二酸化炭素由来の炭酸イオンを前記カソードから前記燃料電池のアノードに移動させるステップと、
前記少なくとも一つの膨張機により動力が回収された前記高圧燃料ガスを前記燃料電池の前記アノードに供給するステップと、
をさらに備え、
前記ＣＯ２リッチガスを昇圧するステップでは、前記少なくとも一つの圧縮機により、前記アノードの出口ガス由来の前記ＣＯ２リッチガスを圧縮する
ことを特徴とする請求項１２乃至１５の何れか一項に記載のプラントの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、プラント及びプラントの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、プラントの出力や効率を向上させるための試みがなされている。
例えば、特許文献１には、ガスタービンから排出される高温かつ低圧のフューム（燃焼ガス）を昇圧して高圧フュームを得るとともに、高圧フュームからＣＯ２を分離回収した後のフュームを膨張機で膨張させて膨張エネルギーを回収するようにしたプラントが記載されている。また、このプラントにおいて、フュームは、複数段の圧縮機の間に設けられた熱交換器で中間冷却されるようになっており、フュームと熱交換される冷却媒体が熱交換器で昇温されて、該冷却媒体を作動流体とするサイクルが駆動されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えばパイプラインからの高圧燃料ガスの圧力エネルギーを有効活用することは、プラントの出力や効率を向上させるために望ましいと考えられる。
しかしながら、特許文献１には、高圧燃料ガスの圧力エネルギーを有効活用する手法について何ら記載されていない。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、高圧燃料ガスの圧力エネルギーを有効活用してプラント全体としての出力及び効率を向上可能なプラント及びプラントの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るプラントは、
高圧燃料ガスを供給するための燃料供給ラインと、
前記燃料供給ラインに設けられ、前記高圧燃料ガスを膨張させて該高圧燃料ガスから動力を取り出すように構成された少なくとも一つの膨張機と、
を備える。
【０００７】
上記（１）の構成によれば、高圧燃料ガスの圧力を有効活用して動力として取り出すようにしたので、プラント全体としての出力及び効率を向上させることができる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記プラントは、
前記少なくとも一つの膨張機のうち何れかの膨張機の上流側において前記燃料供給ラインに設けられ、該膨張機に流入する前記高圧燃料ガスを加熱するための加熱器を備える。
【０００９】
上記（２）の構成によれば、膨張機の上流側に加熱器を設けたので、膨張機においてより多くの動力を取り出すことが可能になる。これにより、プラント全体としての出力及び効率を一層向上させることができる。
【００１０】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記少なくとも一つの膨張機は、前記高圧燃料ガスの流れ方向に並べて設けられた複数の膨張機を含み、
前記プラントは、
前記複数の膨張機のそれぞれに対応して各々の前記膨張機の上流側において前記燃料供給ラインに設けられ、各々の前記膨張機に流入する前記高圧燃料ガスを加熱するための複数の加熱器を備える。
【００１１】
上記（３）の構成によれば、各々の膨張機の上流側に加熱器を設けたので、各々の膨張機においてより多くの動力を取り出すことが可能になる。また、各々の膨張機で回収される動力を増大させるために、加熱器に用いる熱源として比較的低温の排熱を効果的に利用することができる。これにより、プラント全体としての出力及び効率をより一層向上させることができる。
【００１２】
（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）の構成において、
前記プラントは、
ＣＯ２リッチガスが流れるＣＯ２リッチガスラインと、
前記ＣＯ２リッチガスラインに設けられ、前記ＣＯ２リッチガスを昇圧するための少なくとも一つの圧縮機をさらに備え、
前記加熱器は、前記少なくとも一つの圧縮機の排熱により、前記高圧燃料ガスを加熱するように構成される。
【００１３】
上記（４）の構成によれば、圧縮機によりＣＯ２リッチガスを昇圧させることで、例えばＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｏｉｌ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）に利用したり、岩盤内や海中へのＣＯ２の封入及び固定化が可能となる。また、ＣＯ２リッチガスを昇圧させるための圧縮機の排熱を利用して、加熱器において高圧燃料ガスを加熱するようにしたので、膨張機においてより多くの動力を回収可能となり、プラント全体の出力および効率をより一層向上させることができる。
【００１４】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記プラントは、
前記少なくとも一つの圧縮機は、前記ＣＯ２リッチガスラインに直列に並べて設けられた複数の圧縮機を含み、
前記加熱器は、前記複数の圧縮機のうち隣り合う一対の圧縮機間を流れる前記ＣＯ２リッチガスとの熱交換により前記高圧燃料ガスを加熱するように構成される。
【００１５】
上記（５）の構成によれば、一対の圧縮機間を流れるＣＯ２リッチガスとの熱交換により高圧燃料ガスを加熱するようにしたので、圧縮機の排熱を高圧燃料ガスに回収し、膨張機においてより多くの動力を取り出すことができる。一方、ＣＯ２リッチガスラインにおいて加熱器の下流側に位置する圧縮機には、加熱器における高圧燃料ガスとの熱交換により冷却されたＣＯ２リッチガスが流入するため、加熱器が圧縮機の中間冷却器として機能し、圧縮機の運転に必要な動力を削減することができる。
【００１６】
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記少なくとも一つの圧縮機は、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて、隣り合う一対の圧縮機間に前記加熱器が介在する複数の上流側圧縮機と、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて前記上流側圧縮機よりも下流側に設けられる１以上の下流側圧縮機と、
を含み、
前記プラントは、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて、複数の前記上流側圧縮機のうち最も下流側に位置する圧縮機と前記下流側圧縮機との間、または、隣り合う一対の前記下流側圧縮機の間に設けられ、前記高圧燃料ガス以外の冷却媒体により前記ＣＯ２リッチガスを冷却するように構成された熱交換器をさらに備える。
【００１７】
ＣＯ２リッチガスは、臨界圧付近において定圧比熱Ｃｐが大きくなる傾向がある。このため、臨界圧に相当する圧力レベルのＣＯ２リッチガスを高圧燃料ガスとの熱交換により冷却しようとすると、ＣＯ２リッチガスの温度低下量と、高圧燃料ガスの温度上昇量とのバランスを確保することが難しい。
この点、上記（６）の構成によれば、上流側圧縮機により昇圧されたＣＯ２リッチガスを高圧燃料ガス以外の冷却媒体との熱交換により冷却するようにしたので、下流側圧縮機の入口ガスを適切に冷却し、下流側圧縮機における圧縮動力を削減することができる。
【００１８】
（７）幾つかの実施形態では、上記（４）乃至（６）の何れかの構成において、
前記プラントは、
前記少なくとも一つの圧縮機の下流側において前記ＣＯ２リッチガスラインに設けられ、前記少なくとも一つの圧縮機で昇圧された前記ＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するためのＣＯ２分離装置をさらに備える。
【００１９】
上記（７）の構成によれば、ＣＯ２分離装置によりＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離することで、高純度のＣＯ２を得ることができる。また、ＣＯ２リッチガスに可燃成分ガスが不純物として含まれている場合、ＣＯ２分離装置により得られる不純物ガスを燃料として利用することが可能となり、プラント全体としてのエネルギー効率の向上に寄与し得る。
【００２０】
（８）幾つかの実施形態では、上記（４）乃至（７）の何れかの構成において、
前記プラントは、
アノードと、二酸化炭素を含む排ガスが供給されるカソードと、前記排ガス中に含まれる二酸化炭素由来の炭酸イオンを前記カソードから前記アノードに移動させるように構成された電解質と、を含む燃料電池をさらに備え、
前記少なくとも一つの圧縮機は、前記アノードの出口ガス由来の前記ＣＯ２リッチガスを圧縮するように構成され、
前記燃料電池の前記アノードは、前記少なくとも一つの膨張機により動力が回収された前記高圧燃料ガスが供給されるように構成される。
【００２１】
上記（８）の構成によれば、燃料電池により発電しながらＣＯ２の回収が可能であるため、ＣＯ２回収に伴うプラント全体としてのエネルギー効率の低下を抑制することができる。また、ＣＯ２リッチガスを圧縮することで、少なくとも燃料電池により回収した二酸化炭素をＥＯＲに利用したり、岩盤内や海中への固定化したりすることが可能となる。さらに、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給圧はそれほど高い圧力でなくても足りるから、アノードに供給される高圧燃料ガスの圧力を膨張機において動力として回収することで、プラント全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
【００２２】
（９）幾つかの実施形態では、上記（４）乃至（８）の何れかの構成において、
前記少なくとも一つの圧縮機は、前記少なくとも一つの膨張機で取り出した前記動力を用いて駆動されるように構成される。
【００２３】
上記（９）の構成によれば、膨張機により高圧燃料ガスから回収した動力を用いて圧縮機を駆動するようにしたので、プラント全体としてのエネルギー効率が向上する。
なお、動力伝達機構を介して、膨張機の回転軸から圧縮機の回転軸に動力を伝達してもよい。あるいは、膨張機の回転軸に連結された発電機により生成した電力により、圧縮機の回転軸に連結されたモータを駆動してもよい。
【００２４】
（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係るプラントの運転方法は、
燃料供給ラインを介して高圧燃料ガスを供給するステップと、
前記燃料供給ラインに設けられた少なくとも一つの膨張機により、前記高圧燃料ガスを膨張させて該高圧燃料ガスから動力を取り出すステップと、
を備える。
【００２５】
上記（１０）の方法によれば、高圧燃料ガスの圧力を有効活用して動力として取り出すようにしたので、プラント全体としての出力及び効率を向上させることができる。
【００２６】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の方法において、
前記少なくとも一つの膨張機のうち何れかの膨張機の上流側において前記燃料供給ラインに設けられた加熱器を用いて、該膨張機に流入する前記高圧燃料ガスを加熱するステップを備える。
【００２７】
上記（１１）の方法によれば、膨張機の上流側に設けられた加熱器を用いて膨張機に流入する高圧燃料ガスを加熱するので、膨張機においてより多くの動力を取り出すことが可能になる。これにより、プラント全体としての出力及び効率を一層向上させることができる。
【００２８】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）の方法において、
ＣＯ２リッチガスが流れるＣＯ２リッチガスラインに設けられた少なくとも一つの圧縮機により、前記ＣＯ２リッチガスを昇圧するステップをさらに備え、
前記高圧燃料ガスを加熱するステップでは、前記少なくとも一つの圧縮機の排熱により、前記高圧燃料ガスを加熱する。
【００２９】
上記（１２）の方法によれば、圧縮機によりＣＯ２リッチガスを昇圧させることで、例えばＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｏｉｌ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）に利用したり、岩盤内や海中へのＣＯ２の封入及び固定化が可能となる。また、ＣＯ２リッチガスを昇圧させるための圧縮機の排熱を利用して、加熱器において高圧燃料ガスを加熱するようにしたので、膨張機においてより多くの動力を回収可能となり、プラント全体の出力および効率をより一層向上させることができる。
【００３０】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の方法において、
前記少なくとも一つの圧縮機は、前記ＣＯ２リッチガスラインに直列に並べて設けられた複数の圧縮機を含み、
前記高圧燃料ガスを加熱するステップでは、前記複数の圧縮機のうち隣り合う一対の圧縮機間を流れる前記ＣＯ２リッチガスとの熱交換により前記高圧燃料ガスを加熱する。
【００３１】
上記（１３）の方法によれば、一対の圧縮機間を流れるＣＯ２リッチガスとの熱交換により高圧燃料ガスを加熱するようにしたので、圧縮機の排熱を高圧燃料ガスに回収し、膨張機においてより多くの動力を取り出すことができる。一方、ＣＯ２リッチガスラインにおいて加熱器の下流側に位置する圧縮機には、加熱器における高圧燃料ガスとの熱交換により冷却されたＣＯ２リッチガスが流入するため、加熱器が圧縮機の中間冷却器として機能し、圧縮機の運転に必要な動力を削減することができる。
【００３２】
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）の方法において、
前記少なくとも一つの圧縮機は、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて、隣り合う一対の圧縮機間に前記加熱器が介在する複数の上流側圧縮機と、
前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて前記上流側圧縮機よりも下流側に設けられる１以上の下流側圧縮機と、
を含み、
複数の前記上流側圧縮機のうち最も下流側に位置する圧縮機と前記下流側圧縮機との間、または、前記ＣＯ２リッチガスラインにおいて隣り合う一対の前記下流側圧縮機の間に設けられる熱交換器において、前記高圧燃料ガス以外の冷却媒体により前記ＣＯ２リッチガスを冷却するステップをさらに備える。
【００３３】
ＣＯ２リッチガスは、臨界圧付近において定圧比熱Ｃｐが大きくなる傾向がある。このため、臨界圧に相当する圧力レベルのＣＯ２リッチガスを高圧燃料ガスとの熱交換により冷却しようとすると、ＣＯ２リッチガスの温度低下量と、高圧燃料ガスの温度上昇量とのバランスを確保することが難しい。
この点、上記（１４））の方法によれば、上流側圧縮機により昇圧されたＣＯ２リッチガスを高圧燃料ガス以外の冷却媒体との熱交換により冷却するようにしたので、上流側圧縮機の入口ガスを適切に冷却し、上流側圧縮機における圧縮動力を削減することができる。
【００３４】
（１５）幾つかの実施形態では、上記（１２）乃至（１４）の何れかの方法において、
前記少なくとも一つの圧縮機の下流側において前記ＣＯ２リッチガスラインに設けられたＣＯ２分離装置により、前記少なくとも一つの圧縮機で昇圧された前記ＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するステップをさらに備える。
【００３５】
上記（１５）の方法によれば、ＣＯ２分離装置によりＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離することで、高純度のＣＯ２を得ることができる。また、ＣＯ２リッチガスに可燃成分ガスが不純物として含まれている場合、ＣＯ２分離装置により得られる不純物ガスを燃料として利用することが可能となり、プラント全体としてのエネルギー効率の向上に寄与し得る。
【００３６】
（１６）幾つかの実施形態では、上記（１２）乃至（１５）の何れかの方法において、
二酸化炭素を含む排ガスの少なくとも一部を燃料電池のカソードに供給するステップと、
前記燃料電池の電解質内において、前記排ガス中の二酸化炭素由来の炭酸イオンを前記カソードから前記燃料電池のアノードに移動させるステップと、
前記少なくとも一つの膨張機により動力が回収された前記高圧燃料ガスを前記燃料電池の前記アノードに供給するステップと、
をさらに備え、
前記ＣＯ２リッチガスを昇圧するステップでは、前記少なくとも一つの圧縮機により、前記アノードの出口ガス由来の前記ＣＯ２リッチガスを圧縮する。
【００３７】
上記（１６）の方法によれば、燃料電池により発電しながらＣＯ２の回収が可能であるため、ＣＯ２回収に伴うプラント全体としてのエネルギー効率の低下を抑制することができる。また、ＣＯ２リッチガスを圧縮することで、少なくとも燃料電池により回収した二酸化炭素をＥＯＲに利用したり、岩盤内や海中への固定化したりすることが可能となる。さらに、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給圧はそれほど高い圧力でなくても足りるから、アノードに供給される高圧燃料ガスの圧力を膨張機において動力として回収することで、プラント全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、高圧燃料ガスの圧力エネルギーを有効活用してプラント全体としての出力及び効率を向上可能なプラント及びプラントの運転方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】一実施形態に係るプラントの概略構成図である。
【図２】一実施形態に係るプラントの概略構成図である。
【図３】一実施形態に係るプラントの概略構成図である。
【図４】一実施形態に係るプラントの概略構成図である。
【図５】一実施形態に係るプラントの概略構成図である。
【図６】一実施形態に係るプラントの概略構成図である。
【図７】一実施形態に係るプラントの概略構成図である。
【図８】一実施形態に係るＣＯ２分離装置の概略構成図である。
【図９】一実施形態に係るＣＯ２分離装置の概略構成図である。
【図１０】一実施形態に係るプラントの概略構成図である。
【図１１】一実施形態に係るプラントの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００４１】
図１〜図７及び図１０〜図１１は、それぞれ、一実施形態に係るプラントの概略構成図である。図１〜図７及び図１０〜図１１に示すように、幾つかの実施形態に係るプラント１は、高圧燃料ガスを供給するための燃料供給ライン２と、燃料供給ライン２に設けられた少なくとも１つの膨張機４と、を備える。燃料供給ライン２は、少なくとも１つの膨張機４よりも上流側に位置する上流側燃料供給ライン２ａと、少なくとも１つの膨張機４よりも下流側に位置する下流側燃料供給ライン２ｂと、を含む。膨張機４は、上流側燃料供給ライン２ａから流入する高圧燃料ガスを膨張させて、該高圧燃料ガスから動力を取り出すように構成される。
【００４２】
なお、図１０及び図１１では、プラント１は、ガスタービン２００を含む火力発電装置１０２と、火力発電装置１０２からの排ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）を回収するように構成されたＣＯ２回収システム１０３と、を含む。また、図１０及び図１１においては、膨張機４の図示を省略している。火力発電装置１０２及びＣＯ２回収システム１０３の構成については、後述する。
【００４３】
高圧燃料ガスは、常圧よりも高圧の燃料ガスであり、例えば、膨張機４の入口（少なくとも１つの膨張機４が複数の膨張機４を含む場合には、最上流側の膨張機４の入口）において１ＭＰａ〜２０ＭＰａ程度の圧力を有していてもよい。燃料ガスは、例えば、天然ガスであってもよく、あるいは、石炭やバイオマスをガス化炉で処理することにより得られる、ＣＯ又はＨ２等を含むシンガスであってもよい。
【００４４】
例えば、図２に示す例示的な実施形態では、上流側燃料供給ライン２ａに燃料タンク１０が接続されているとともに、該上流側燃料供給ライン２ａには、ポンプ１２及び熱交換器１４が設けられている。そして、燃料タンク１０に貯留されている液化天然ガスは、ポンプ１２で昇圧された後に熱交換器１４で気化されて、高圧燃料ガスとして膨張機４に流入するようになっている。なお、熱交換器１４は、空気又は海水等の熱源との熱交換により、液化天然ガスを気化するように構成されていてもよい。
【００４５】
また、例えば、図３に示す例示的な実施形態では、上流側燃料供給ライン２ａは、石炭又はバイオマス等をガス化処理するためのガス化炉２０のガス排出口に接続されている。そして、ガス化炉２０において石炭又はバイオマス等を処理することにより得られるシンガスが、高圧燃料ガスとして膨張機４に流入するようになっている。
なお、ガス化炉２０には、石炭又はバイオマス等を燃焼させるための空気が供給されるようになっていてもよい。この空気は、図３に示すように、圧縮機１６で圧縮されてからガス化炉２０に供給されるようになっていてもよい。圧縮機１６は、電動機によって駆動されてもよく、あるいは、タービンによって駆動されるようになっていてもよい。圧縮機１６を駆動するタービンは、上述の膨張機４であってもよい。
【００４６】
膨張機４は、例えば、気体の膨張仕事を回転運動として取り出すように構成されたタービン（回転式膨張機）であってもよく、あるいは、気体の膨張仕事を往復運動として取り出すように構成されたレシプロ式膨張式であってもよい。
なお、図１〜図７に示す例示的な実施形態では、膨張機４として、流入するガスによって回転駆動されるように構成されたタービンが採用されている。また、図１〜図７に示すように、タービン（膨張機４）の回転シャフト５には発電機６が接続されていてもよく、発電機６は、該タービンに回転駆動されて電力を生成するようになっていてもよい。
また、図６及び図７に示すように、複数の膨張機４が燃料供給ライン２に直列に並べて設けられていてもよく、複数の膨張機４は同軸に設けられ、それぞれの膨張機４が共通の発電機６を回転駆動するように構成されていてもよい。
【００４７】
膨張機４で動力が取り出されて圧力が低下した燃料ガスは、膨張機４から排出された後、下流側燃料供給ライン２ｂを介して該燃料ガスを使用する機器等に供給されるようになっている。膨張機４の出口（少なくとも１つの膨張機４が複数の膨張機４を含む場合には、最下流側の膨張機４の出口）における燃料ガスの圧力は、例えば、膨張機４の入口における燃料ガス（高圧燃料ガス）の圧力の５％〜３０％程度の圧力であってもよい。あるいは、膨張機４の出口における燃料ガスの圧力は、例えば、０．２ＭＰａ〜１．５ＭＰａ程度であってもよい。
燃料ガスは、例えば、燃料電池（ＭＣＦＣ、ＳＯＦＣ、ＰＥＦＣ又はＰＡＦＣ等の各種燃料電池）、ボイラ、又はマイクロガスタービン等に燃料として供給されるようになっていてもよく、あるいは、都市ガスとして家庭や各種設備に供給されるようになっていてもよい。
【００４８】
このように、幾つかの実施形態に係るプラント１では、燃料供給ライン２に設けられた膨張機４を用いて、高圧燃料ガスの圧力を有効活用して動力として取り出すことにより、プラント全体としての出力及び効率を向上させることができる。
【００４９】
幾つかの実施形態では、プラント１は、少なくとも一つの膨張機４のうち何れかの膨張機４の上流側において燃料供給ライン２に設けられた加熱器２２を備える。加熱器２２は、該膨張機４（即ち、燃料供給ライン２において加熱器２２よりも下流側に位置する膨張機４）に流入する高圧燃料ガスを加熱するように構成される。
【００５０】
例えば、図４に示す例示的な実施形態では、燃料供給ライン２には、１つの膨張機４が設けられており、該膨張機４の上流側において燃料供給ラインに加熱器２２が設けられている。
【００５１】
また、例えば、図５〜図７に示す例示的な実施形態では、燃料供給ライン２には、高圧燃料ガスの流れ方向に並べて複数の膨張機４が設けられている。そして、燃料供給ライン２には、複数の膨張機４のそれぞれに対応する複数の加熱器２２が、各々の膨張機４の上流側に設けられている。
【００５２】
このように、膨張機４の上流側に加熱器２２を設けることにより、膨張機４においてより多くの動力を取り出すことが可能になる。これにより、プラント全体としての出力及び効率を一層向上させることができる。
【００５３】
また、図５〜図７に示すように、複数の膨張機４の各々の上流側にそれぞれ加熱器２２を設けることにより、各々の膨張機４においてより多くの動力を取り出すことが可能になる。また、複数の膨張機４のそれぞれに対応する複数の加熱器２２を設けることにより、各々の膨張機４で回収される動力を増大させるために、加熱器２２に用いる熱源として比較的低温の排熱を効果的に利用することができる。これにより、プラント全体としての出力及び効率をより一層向上させることができる。
【００５４】
幾つかの実施形態では、プラント１は、例えば、図６、図７、図１０及び図１１に示すように、ＣＯ２リッチガスが流れるＣＯ２リッチガスライン２４と、ＣＯ２リッチガスライン２４に設けられた少なくとも一つの圧縮機２６Ａ及び／又は２６Ｂ（以下、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）と表記する）と、をさらに備える。ＣＯ２リッチガスライン２４は、少なくとも一つの圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）よりも上流側に位置する上流側ＣＯ２リッチガスライン２４ａと、少なくとも一つの圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）よりも下流側に位置する下流側ＣＯ２リッチガスライン２４ｂと、を含む。圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）は、ＣＯ２リッチガスライン２４を流れるＣＯ２リッチガスを昇圧するように構成される。そして、加熱器２２は、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の排熱により、燃料供給ライン２を流れる高圧燃料ガスを加熱するように構成される。すなわち、加熱器２２では、ＣＯ２リッチガスライン２４において該加熱器２２よりも上流側に位置する圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）での圧縮により温度が上昇したＣＯ２リッチガスとの熱交換により、燃料供給ライン２を流れる高圧燃料ガスが加熱されるようになっている。
なお、図１０及び図１１においては、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の図示を省略している。
【００５５】
圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）は、回転シャフト２７を介して接続された電動機２８によって駆動されるようになっていてもよい。
図６及び図７に示す例示的な実施形態では、複数の圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）が、ＣＯ２リッチガスラインに直列に並べて設けられている。図６及び図７に示すように、複数の圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）は同軸に設けられていてもよく、それぞれの圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）が共通の電動機２８によって駆動されるようになっていてもよい。
【００５６】
ＣＯ２リッチガスを流れるＣＯ２リッチガスは、燃料供給ライン２を流れる高圧燃料ガスよりも高濃度のＣＯ２を含むガスであってもよい。
あるいは、ＣＯ２リッチガスライン２４を流れるＣＯ２リッチガスは、例えば、排ガス発生設備から排出されるＣＯ２を含む排ガスからＣＯ２を回収する過程で生じるＣＯ２リッチガスであってもよい。この場合、ＣＯ２リッチガスは、処理対象の排ガスよりもＣＯ２濃度が高いガスであってもよい。
例えば、より詳細には後で説明するが、図１０及び図１１に示す例示的な実施形態では、ガスタービン２００からの排ガスに含まれるＣＯ２が燃料電池１１０のカソード１１２及びアノード１１６を介して回収されるようになっており、ＣＯ２リッチガスライン２４には、ＣＯ２リッチガスとしてアノード１１６から流出するアノード出口ガスが導かれるようになっている。
【００５７】
このように、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）によりＣＯ２リッチガスを昇圧させることで、例えば、昇圧したＣＯ２リッチガスをＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｏｉｌ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）に利用したり、岩盤内や海中へのＣＯ２の封入及び固定化が可能となる。また、ＣＯ２リッチガスを昇圧させるための圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の排熱を利用して、加熱器２２において高圧燃料ガスを加熱することにより、膨張機４においてより多くの動力を回収可能となり、プラント全体の出力および効率をより一層向上させることができる。
【００５８】
幾つかの実施形態では、例えば、図６及び図７に示すように、ＣＯ２リッチガスライン２４において、直列に設けられた複数の圧縮機２６Ａのうち隣り合う一対の圧縮機２６Ａの間に加熱器２２が配置されている。該加熱器２２では、燃料供給ライン２を流れる高圧燃料ガスが、上述の隣り合う一対の圧縮機２６Ａの間を流れるＣＯ２リッチガスとの熱交換により加熱されるようになっている。
【００５９】
このように、一対の圧縮機２６Ａの間を流れるＣＯ２リッチガスとの熱交換により高圧燃料ガスを加熱することにより、圧縮機２６Ａの排熱を高圧燃料ガスに回収し、膨張機４においてより多くの動力を取り出すことができる。一方、ＣＯ２リッチガスライン２４において加熱器２２の下流側に位置する圧縮機２６Ａには、加熱器２２における高圧燃料ガスとの熱交換により冷却されたＣＯ２リッチガスが流入するため、加熱器２２が圧縮機２６Ａの中間冷却器として機能し、圧縮機２６Ａの運転に必要な動力を削減することができる。
【００６０】
幾つかの実施形態では、例えば図６に示すように、ＣＯ２リッチガスライン２４に設けられる少なくとも一つの圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）は、複数の圧縮機２６Ａ（上流側圧縮機）と、ＣＯ２リッチガスライン２４において複数の圧縮機２６Ａよりも下流側に設けられる１以上の圧縮機２６Ｂ（下流側圧縮機）と、を含む。ＣＯ２リッチガスライン２４において、複数の圧縮機２６Ａ（上流側圧縮機）のうち隣り合う一対の圧縮機２６Ａの間には、加熱器２２が介在する。そして、ＣＯ２リッチガスライン２４において、複数の圧縮機２６Ａ（上流側圧縮機）のうち最も下流側に位置する圧縮機２６Ａ’と圧縮機２６Ｂ（下流側圧縮機）との間、または、隣り合う一対の圧縮機２６Ｂ（下流側圧縮機）の間には、熱交換器３４が設けられる。熱交換器３４には、冷却媒体ライン３２を介して、高圧燃料ガス以外の冷却媒体が導かれるようになっており、熱交換器３４は、該冷却媒体との熱交換により、ＣＯ２リッチガスライン２４を流れるＣＯ２リッチガスを冷却するように構成される。
【００６１】
なお、図６に示す例示的な実施形態では、ＣＯ２リッチガスライン２４には、複数の圧縮機２６Ａ（上流側圧縮機）の下流側に１つの圧縮機２６Ｂ（下流側圧縮機）が設けられており、ＣＯ２リッチガスライン２４において、複数の圧縮機２６Ａのうち最も下流側に位置する圧縮機２６Ａ’と圧縮機２６Ｂとの間に、熱交換器３４が設けられている。
【００６２】
幾つかの実施形態では、プラント１は、蒸気を生成するためのボイラ（不図示）を含み、熱交換器３４には、蒸気を生成するためにボイラに供給される水が、冷却媒体として冷却媒体ライン３２を介して導かれるようになっていてもよい。
なお、上述のボイラは、ガスタービン等からの排ガスの熱を回収するための排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）であってもよい。
【００６３】
ＣＯ２リッチガスは、ＣＯ２の臨界圧（約７．４ＭＰａ）付近において定圧比熱Ｃｐが大きくなる傾向がある。このため、臨界圧に相当する圧力レベルのＣＯ２リッチガスを高圧燃料ガスとの熱交換により冷却しようとすると、ＣＯ２リッチガスの温度低下量と、高圧燃料ガスの温度上昇量とのバランスを確保することが難しい。
この点、上述したように、圧縮機２６Ａ（上流側圧縮機）により昇圧されたＣＯ２リッチガスを高圧燃料ガス以外の冷却媒体との熱交換により冷却することにより、圧縮機２６Ｂ（下流側圧縮機）の入口ガスを適切に冷却し、圧縮機２６Ｂ（下流側圧縮機）における圧縮動力を削減することができる。
【００６４】
幾つかの実施形態では、高圧燃料ガス以外の冷却媒体とＣＯ２リッチガスとを熱交換するための熱交換器３４を流れるＣＯ２リッチガスの圧力が、ＣＯ２の臨界圧の９０％以上であってもよい。
この場合、臨界圧に近い圧力のＣＯ２リッチガスを高圧燃料ガス以外の冷却媒体との熱交換により冷却することにより、定圧比熱Ｃｐが比較的大きい圧縮機２６Ｂ（下流側圧縮機）の入口ガスを効果的に冷却し、圧縮機２６Ｂ（下流側圧縮機）における圧縮動力を削減することができる。
【００６５】
なお、図示しないが、加熱器２２及び／又は熱交換器３４は、ＣＯ２リッチガスに含まれる水分が凝縮して生成するドレン水を分離可能に構成されていてもよい。これにより、ＣＯ２リッチガスを圧縮する圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）のエロージョン等による損傷を抑制することができる。
【００６６】
幾つかの実施形態では、少なくとも一つの圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）は、少なくとも一つの膨張機４で取り出した動力を用いて駆動されるように構成されていてもよい。
このように、膨張機４により高圧燃料ガスから回収した動力を用いて圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）を駆動することにより、プラント全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
【００６７】
例えば、一実施形態では、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の回転シャフト２７（図６又は図７参照）と膨張機４の回転シャフト５（図６又は図７参照）とは、動力伝達機構（例えば歯車等；不図示）を介して接続されていてもよい。そして、該動力伝達機構を介して、膨張機４の回転シャフト５から圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の回転シャフト２７（図６又は図７参照）に動力を伝達することによって、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）が少なくとも部分的に駆動されるようになっていてもよい。
この場合、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）を駆動するための動力量は、例えば、膨張機４の回転シャフト５に連結された発電機６、又は、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の回転シャフト２７に接続された電動機２８によって調節するようにしてもよい。
【００６８】
また、例えば、一実施形態では、膨張機４の回転シャフト５に連結された発電機６により生成した電力により、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の回転シャフト２７に連結された電動機２８を駆動してもよい。
この場合、電動機２８と発電機６とを電力ケーブル（不図示）で接続するとともに、該電力ケーブルを介して、電動機２８及び発電機６を電力系統に接続してもよい。そして、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）を駆動するための電力量を、電力系統への給電及び電力系統からの受電により調節するようにしてもよい。
【００６９】
なお、図６及び図７には、複数の膨張機４及び複数の圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）が、それぞれ回転シャフト５及び回転シャフト２７で同軸に直結されることにより、複数の膨張機４及び複数の圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の間で動力が伝達される例を示したが、複数の膨張機４及び複数の圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の間における動力の伝達は、このような方式に限定されない。
【００７０】
例えば、複数の膨張機４及び／又は複数の圧縮機（２６Ａ，１２Ｂ）は、各々の回転シャフトは歯車などの動力伝達機構を介して接続されていてもよい。また、複数の膨張機４及び／又は複数の圧縮機（２６Ａ，１２Ｂ）のそれぞれに対応する発電機及び／又は電動機が設けられていてもよく、各電動機によって複数の圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）が駆動されるようになっていてもよい。これらの電動機には、膨張機４によって駆動される発電機によって生成される電力が供給されるようになっていてもよい。
【００７１】
幾つかの実施形態では、例えば図７に示すように、プラント１は、圧縮機（２６Ａ，２７Ｂ）の下流側においてＣＯ２リッチガスライン２４に設けられたＣＯ２分離装置４０を備える。ＣＯ２分離装置４０は、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）で昇圧されたＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するように構成される。
ＣＯ２分離装置４０でＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離することにより、高純度のＣＯ２を得ることができる。また、ＣＯ２リッチガスに可燃成分ガス（Ｈ２又はＣＯ等）が不純物として含まれている場合、ＣＯ２分離装置４０により得られる不純物ガスを燃料として利用することが可能となり、プラント全体としてのエネルギー効率の向上に寄与し得る。
【００７２】
ここで、図８及び図９は、それぞれ、他の一実施形態に係るＣＯ２分離装置の概略構成図である。
図７〜図９に示す例示的な実施形態では、下流側ＣＯ２リッチガスライン２４ｂを介して、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）で昇圧されたＣＯ２リッチガスがＣＯ２分離装置４０に導かれるようになっている。また、ＣＯ２リッチガスから分離されたＣＯ２は、ＣＯ２分離装置４０からＣＯ２リッチガスライン２４のＣＯ２回収ライン２４ｃを介して排出されるようになっている。また、ＣＯ２リッチガスからＣＯ２が除かれた残部の不純物ガスは、排出ライン３０を介してＣＯ２分離装置４０から排出されるようになっている。なお、この不純物ガスには、Ｈ２、ＣＯ又はＮ２等が含まれる場合がある。
【００７３】
幾つかの実施形態では、例えば図７に示すように、ＣＯ２分離装置４０は、上述のＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するように構成されたＣＯ２分離膜４２を含む。
図７に示す例示的な実施形態では、ＣＯ２分離膜４２は、該ＣＯ２分離膜４２の前後の圧力の差（例えばＣＯ２分圧の差）を利用して、ＣＯ２及びＣＯ２以外の成分（例えばＨ２又はＮ２等）を含むＣＯ２リッチガスから、ＣＯ２を選択的に透過させて分離するように構成される。圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）により圧縮されたＣＯ２リッチガスは高圧を有するので、ＣＯ２分離膜４２によってＣＯ２リッチガスからＣＯ２を効果的に分離することができる。
【００７４】
ＣＯ２分離装置４０では、ＣＯ２リッチガスから分離されてＣＯ２分離膜４２を透過したＣＯ２はＣＯ２回収ライン２４ｃを介してＣＯ２分離装置４０から排出されるとともに、ＣＯ２分離膜４２を透過しない残部の不純物ガスは、排出ライン３０を介してＣＯ２分離装置４０から排出される。
【００７５】
また、幾つかの実施形態では、例えば図８及び図９に示すように、ＣＯ２分離装置４０は、上述のＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するように構成されたＣＯ２液化／固化器４４を含む。ＣＯ２液化／固化器４４は、冷凍機４６からの冷媒との熱交換により、ＣＯ２リッチガスを冷却するように構成される。そして、ＣＯ２リッチガスに含まれるＣＯ２が冷却されて液化又は固化された後、ＣＯ２回収ライン２４ｃを介してＣＯ２分離装置４０から排出されるようになっている。なお、ＣＯ２リッチガスに含まれる成分のうち、ＣＯ２に比べて凝固点又は沸点が低い不純物（Ｈ２やＣＯ等）は、ガス状態のまま排出ライン３０を介してＣＯ２分離装置４０から排出される。
【００７６】
図８に示す例示的な実施形態では、ＣＯ２液化／固化器４４は、ＣＯ２リッチガスに含まれるＣＯ２を冷却して液化させるように構成されている。液化された高純度のＣＯ２（液化ＣＯ２）は、ＣＯ２回収ライン２４ｃを介してＣＯ２分離装置４０から排出されるようになっている。
なお、ＣＯ２回収ライン２４ｃには、液化ＣＯ２を昇圧するためのポンプ４９が設けられていてもよい。ポンプ４９によって液化ＣＯ２を昇圧することにより、高純度かつ高圧のＣＯ２を得ることができる。
【００７７】
図９に示す例示的な実施形態では、ＣＯ２液化／固化器４４は、ＣＯ２リッチガスに含まれるＣＯ２を冷却して固化させるように構成されている。固化された高純度のＣＯ２（固体ＣＯ２）は、気化器５０の第１室５０ａに取り出された後、第２室５０ｂに移され、第２室において熱源５６からの熱を受け取って気化及び昇圧されるようになっている。気化及び昇圧された高純度のＣＯ２は、ＣＯ２回収ライン２４ｃを介してＣＯ２分離装置４０から排出されるようになっている。
【００７８】
図９に示すように、気化器５０は、ＣＯ２液化／固化器４４で生成された固体ＣＯ２を第１室５０ａに受け入れるための蓋部５２、及び、第１室５０ａと第２室５０ｂとの連通状態を切り替えるための蓋部５４を有していてもよい。これらの蓋部５２，５４は、ＣＯ２液化／固化器４４からの個体ＣＯ２を第１室５０ａに取り出すとき、及び、第１室５０ａから第２室５０ｂに移すときに、適宜開閉されるようになっていてもよい。なお、図９には、ＣＯ２液化／固化器４４からの個体ＣＯ２を第１室５０ａに取り出すために、蓋部５２が開放されるとともに、蓋部５４が閉じられた状態が示されている。
【００７９】
幾つかの実施形態では、ＣＯ２液化／固化器４４は、ＣＯ２リッチガスを冷却して、ＣＯ２リッチガスに含まれるＣＯ２の一部を液化するとともに、ＣＯ２の他の一部を固化するように構成されていてもよい。この場合、液化された液化ＣＯ２及び固化された固体ＣＯ２は、別々の回収ラインから回収されるようになっていてもよい。
【００８０】
上述した膨張機４及び圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）を備えるプラント１（例えば図６〜図９参照）は、例えば、図１０又は図１１に示すような、燃料電池１１０を含むプラントに適用されてもよい。
図１０及び図１１に示すプラント１は、カソード１１２と、アノード１１６と、カソード１１２とアノード１１６の間に配置される電解質１１４と、を含む燃料電池１１０を備えている。燃料電池１１０のカソード１１２には、ＣＯ２を含む排ガスが供給されるようになっている。また、電解質１１４は、排ガス中に含まれるＣＯ２由来の炭酸イオン（ＣＯ３２−）をカソード１１２からアノード１１６に移動させるように構成されている。そして、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）は、燃料電池１１０のアノード１１６の出口ガス由来のＣＯ２リッチガスを圧縮するように構成されるとともに、燃料電池１１０のアノード１１６は、膨張機４により動力が回収された高圧燃料ガスが供給されるように構成されている。
【００８１】
以下、図１０及び図１１に示すプラント１の構成についてより具体的に説明する。なお、図１０のＡ１〜Ａ４は、図６のＡ１〜Ａ４と同じ部位を示し、図１１のＢ１〜Ｂ５は、図７のＢ１〜Ｂ５と同じ部位を示す。
図１０及び図１に示すプラント１は、火力発電装置１０２と、二酸化炭素回収システム１０３と、を備えた火力発電設備である。二酸化炭素回収システム１０３は、火力発電装置１０２からの排ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）を回収するように構成される。
【００８２】
火力発電装置１０２は、燃料の燃焼により生成する燃焼ガス又は燃焼熱を用いて発電を行う装置であり、例えば、ボイラ又はガスタービンを含む発電装置、又は、ガスタービン複合発電（ＧＴＣＣ）又は石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）等の発電装置であってもよい。図１０及び図１１に示す例示的な実施形態では、火力発電装置１０２は、ガスタービン２００の燃焼ガスを用いて発電を行う発電装置である。
【００８３】
二酸化炭素回収システム１０３は、火力発電装置１０２における燃焼生成ガスを含む排ガスに含まれるＣＯ２を回収するように構成されている。例えば、火力発電装置１０２が燃焼器を含むボイラ又はガスタービンを備える場合、二酸化炭素回収システム１０３は、該ボイラ又はガスタービンからの排ガスに含まれるＣＯ２を回収するように構成されていてもよい。あるいは、火力発電装置１０２が、ガスタービン等からの排ガスの熱を回収するための排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を備える場合、二酸化炭素回収システム１０３は、該排熱回収ボイラからの排ガスに含まれるＣＯ２を回収するように構成されていてもよい。
【００８４】
図１０及び図１１に示す例示的な実施形態では、火力発電装置１０２は、ガスタービン２００を含む火力発電装置である。図１０及び図１１に示す実施形態において、二酸化炭素回収システム１０３は、ガスタービン２００からの排ガスに含まれるＣＯ２を回収するように構成される。
【００８５】
図１０及び図１１に示すガスタービン２００は、空気を圧縮するための圧縮機２０２と、燃料（例えば天然ガス等）を燃焼させて燃焼ガスを発生させるための燃焼器２０４と、燃焼ガスにより回転駆動されるように構成されたタービン２０６と、を備える。
燃焼器２０４には、燃料貯留部１２２から燃料（天然ガス等）が供給されるようになっている。また、燃焼器２０４には圧縮機２０２で圧縮された空気が送り込まれるようになっており、この圧縮空気は、燃焼器２０４において燃料が燃焼する際の酸化剤としての役割を有する。
タービン２０６には回転シャフト２０３を介して発電機２０８が連結されており、タービン２０６の回転エネルギーによって発電機２０８が駆動されて電力が生成されるようになっている。タービン２０６で仕事を終えた燃焼ガスは、排ガスとしてタービン２０６から排出されるようになっている。
【００８６】
図１０及び図１１に示す例示的な実施形態では、二酸化炭素回収システム１０３は、上述した燃料電池１１０と、燃料電池１１０のアノード１１６の出口側に接続され、アノード１１６の出口ガス由来のＣＯ２リッチガスを導くように構成されたＣＯ２リッチガスライン（アノード出口側流路）２４と、を含む。火力発電装置１０２からの排ガス中に含まれるＣＯ２は、以下に説明するように、燃料電池１１０及びＣＯ２リッチガスライン２４を介して回収されるようになっている。
【００８７】
本明細書において、アノードの出口ガス由来のＣＯ２リッチガスは、アノード出口ガスそのものであってもよいし、アノード出口ガスに対して所定の処理（例えば、後述するＣＯシフト反応器１２０でのＣＯシフト反応やガス分離ユニット１３６における膜分離等）を行った後のガスであってもよい。なお、ＣＯ２リッチガスは、処理対象である排ガスよりもＣＯ２濃度が高いガスを指す。
【００８８】
上述したように、燃料電池１１０は、アノード（燃料極）１１６と、カソード（空気極）１１２と、電解質１１４と、を含む。カソード１１２には、火力発電装置１０２からの排ガス（ＣＯ２を含む排ガス）が供給されるようになっている。一方、アノード１１６には、水素（Ｈ２）を含む燃料ガスが供給されるようになっている。電解質１１４は、排ガス中に含まれるＣＯ２由来の炭酸イオン（ＣＯ３２−）をカソード１１２からアノード１１６に移動させるように構成される。
【００８９】
燃料電池１１０は、電解質１１４として炭酸塩を用いた溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：  Ｍｏｌｔｅｎ  Ｃａｒｂｏｎａｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）であってもよい。電解質１１４として用いられる炭酸塩は、例えば、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、又は炭酸カリウム等であってもよく、又は、これらの混合物であってもよい。
【００９０】
カソード１１２には、カソード入口側流路１７０を介して火力発電装置１０２からのＣＯ２を含む排ガスが供給される。
【００９１】
アノード１１６には、アノード入口側流路１７６及び燃料供給ライン２を介して、燃料（例えば天然ガス）が貯留される燃料貯留部１２２が接続されている。燃料貯留部１２２内の燃料は、燃料供給ライン２に設けられた予備改質器１２４及び燃料電池１１０に設けられた改質部１１８等において水素（Ｈ２）に改質されて、アノード入口側流路１７６を介してアノード１１６に供給されるようになっている。
【００９２】
燃料電池１１０のカソード１１２では、火力発電装置１０２からの排ガスに含まれるＣＯ２及び酸素（Ｏ２）と電子とが反応して炭酸イオン（ＣＯ３２−）が生成される。カソード１１２で生成した炭酸イオンは、電解質１１４をアノード１１６に向かって移動する。
一方、燃料電池１１０のアノード１１６では、アノード入口側流路１７６を介して供給された水素（Ｈ２）と、電解質１１４を移動してきた炭酸イオン（ＣＯ３２−）とが反応して、水（Ｈ２Ｏ）、ＣＯ２及び電子が生成される。
このようにして、カソード１１２に供給されたＣＯ２は、炭酸イオンの形で電解質１１４をカソード１１２からアノード１１６に移動し、アノード１１６での反応によりＣＯ２となる。
【００９３】
アノード１１６で生成されたＣＯ２は、Ｈ２Ｏ及び燃料ガスの未燃成分（例えばＣＯやＨ２）とともに混合ガス（アノード１１６の出口ガス）としてＣＯ２リッチガスライン（アノード出口側流路）２４に流出する。ＣＯ２リッチガスライン２４に流出したアノード出口ガスは、処理対象である排ガスよりもＣＯ２濃度が高いＣＯ２リッチガスである。
【００９４】
アノード１１６から排出されたＣＯ２リッチガスに含まれるＣＯ２は、ＣＯ２リッチガスライン２４を介して回収される。なお、回収されるＣＯ２（即ち、燃料電池１１０によりアノード１１６側に回収されたＣＯ２）は、圧縮機１０９（図１１参照）で圧縮されるようになっていてもよい。
【００９５】
ところで、燃料の改質反応は吸熱反応であり、通常、外部から熱を加える必要がある。そこで、図１０及び図１１に示すように、改質部１１８の上流側に、燃料供給ライン２を介して改質部１１８に供給する燃料を昇温させるための熱交換器１２６を設けてもよい。燃料を熱交換器１２６により昇温させてから改質部１１８に供給することで、燃料の改質反応を効率良く行うことができる。
【００９６】
なお、図１０及び図１１に示す実施形態では、熱交換器１２６は、燃料供給ライン２から改質部１１８に供給する燃料を、アノード１１６の出口ガス（ＣＯ２リッチガス）との熱交換により昇温させるように構成される。
溶融炭酸塩型燃料電池は、約６００℃〜７００℃程度の高温で動作し、アノード１１６から流出するガスも同程度の高温を有する。よって、上述の熱交換器１２６によれば、燃料電池１１０で生じる反応熱を有効利用しながら燃料の改質反応を行うことができる。
【００９７】
また、図１０及び図１１に示す実施形態では、カソード入口側流路１７０には、燃料（例えば燃料貯留部１２２からの燃料）を燃焼させるための燃焼器１１９が設けられている。
燃料電池１１０の適切な動作のためには、供給される排ガス温度がある程度の高温を有していることが望ましい場合がある。このような場合、燃焼器１１９において燃料を燃焼させて、燃焼熱によってカソード１１２の入口側の排ガスを昇温させることにより、燃料電池１１０を適切に作動させやすくなる。
【００９８】
図１０及び図１１に示す例示的な実施形態では、ＣＯ２リッチガスライン２４には、ＣＯ２リッチガスに含まれるＣＯを変性させるためのＣＯシフト反応器１２０が設けられる。ＣＯシフト反応器１２０は、ＣＯ２リッチガスに含まれるＣＯを、例えば水（Ｈ２Ｏ）との反応により、ＣＯ２に変換するように構成される。
ＣＯシフト反応器１２０によってＣＯを変成させることにより、ＣＯシフト反応器１２０よりも下流側のＣＯ２リッチガスライン２４のＣＯ２濃度を、ＣＯシフト反応器１２０の上流側に比べて高めることができる。これにより、より高純度の二酸化炭素を回収することができる。
【００９９】
図１０に示す例示的な実施形態では、ＣＯ２リッチガスライン２４には、ＣＯ２リッチガス中のガス成分を分離するためのガス分離ユニット１３６が設けられている。
ガス分離ユニット１３６は、該ガス分離ユニット１３６に供給されるＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するように構成されていてもよい。ガス分離ユニット１３６によりＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離することにより、ガス分離ユニット１３６よりも下流側のＣＯ２リッチガスライン２４のＣＯ２濃度を、ガス分離ユニット１３６の上流側に比べて高めることができる。これにより、より高純度の二酸化炭素を回収することができる。
【０１００】
ガス分離ユニット１３６は、ＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するように構成された分離膜を含んでいてもよい。あるいは、ガス分離ユニット１３６は、深冷分離法によってＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離するように構成されていてもよい。
また、図１０に示すように、ＣＯ２リッチガスライン２４において、ガス分離ユニット１３６の上流側には、ＣＯ２リッチガスを、ガス分離ユニット１３６で採用される分離手法に適した圧力に昇圧するための圧縮機１３４が設けられていてもよい。
【０１０１】
なお、図１１に示す実施形態では、ＣＯ２リッチガスライン２４を流れるＣＯ２リッチガスは、上流側ＣＯ２リッチガスライン２４ａを介して、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）（図７参照）に導かれるようになっている。そして、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）を通過したＣＯ２リッチガスは、下流側ＣＯ２リッチガスライン２４ｂ（図７参照）からＣＯ２分離装置４０（図７参照；上述のガス分離ユニット１３６に相当する）に導かれ、該ＣＯ２分離装置４０において、ＣＯ２リッチガスからＣＯ２が分離されるようになっている。ＣＯ２分離装置４０でＣＯ２リッチガスから分離されたＣＯ２は、ＣＯ２回収ライン２４ｃを介して回収されるようになっている。
【０１０２】
幾つかの実施形態では、図１０及び図１１に示すように、火力発電装置１０２からの排ガスは、燃料電池１１０のカソード１１２に供給されるとともに、カソード入口側流路１７０から分岐するバイパス流路１７８を介して、排熱回収ボイラ１４０に供給されるようになっていてもよい。
図１０及び図１１に示す排熱回収ボイラ１４０は、火力発電装置１０２からの排ガスが導かれるダクト（不図示）と、ダクトに設けられた熱交換器（不図示）と、を備える。熱交換器は、ダクトを流れる排ガスとの熱交換により蒸気を生成するように構成されている。排熱回収ボイラ１４０で生成された蒸気は蒸気タービン１４２に導かれ、蒸気タービン１４２を回転駆動するようになっている。また、蒸気タービン１４２には発電機１４４が接続されており、発電機１４４は、蒸気タービン１４２によって回転駆動されて、電力を生成するようになっている。
【０１０３】
図１１に示す例示的な実施形態では、排熱回収ボイラ１４０のダクト内を流れて熱交換器を通過した排ガスは、煙突１４６から排出されるようになっている。
【０１０４】
一方、図１０に示す例示的な実施形態では、排熱回収ボイラ１４０のダクト内を流れて熱交換器を通過した排ガスは、ダクト出口を介して排熱回収ボイラから排出された後、化学吸収塔１３０に導かれるようになっている。
すなわち、図１０に示す例示的な実施形態では、上述した燃料電池１１０及びＣＯ２リッチガスライン２４を介したＣＯ２回収手段に加え、化学吸収塔１３０を用いて火力発電装置１０２からの排ガスに含まれるＣＯ２を回収するようになっている。
【０１０５】
図１０に示すように、化学吸収塔１３０には、燃料電池１１０のカソード出口側流路１７２及び／又はバイパス流路１７８を介して、火力発電装置１０２からの排ガスが導かれるようになっている。なお、化学吸収塔１３０に導かれる排ガスは、図１０に示すように、排熱回収ボイラ１４０において熱が回収された後の排ガスを含んでいてもよい。
【０１０６】
一実施形態に係る化学吸収塔１３０では、吸収液（例えばアミンを含む吸収液）と、化学吸収塔１３０に導かれた排ガスとを接触させることにより、排ガスに含まれるＣＯ２が吸収液に取り込まれるようになっている。これにより、排ガスからＣＯ２が除去される。ＣＯ２が除去された排ガスは、処理済排ガスとして化学吸収塔１３０の出口１３０ａから排出される。
【０１０７】
ＣＯ２を吸収した吸収液は、化学吸収塔１３０から再生塔１３２に送られて、該再生塔１３２にて再生される。再生塔１３２では、ＣＯ２を吸収した吸収液が蒸気によって加熱され、これによりＣＯ２が吸収液から分離及び除去される（即ち、吸収液が再生される）。
吸収液から除去されたＣＯ２を含むガスは、再生塔１３２から排出されて、例えば気液分離器（不図示）で水分が除去された後、ＣＯ２がガスとして回収される。
【０１０８】
一方、再生塔１３２でＣＯ２が除去されて再生された吸収液は化学吸収塔１３０に返送され、再度、火力発電装置１０２からの排ガスに含まれるＣＯ２を吸収するために用いられる。
【０１０９】
図１０及び図１１に示す実施形態において、図１０中のＡ１〜Ａ２部分、及び、図１１中のＢ１〜Ｂ２部分には、燃料貯留部１２２からの燃料をアノード１１６に供給するための燃料供給ライン２に、上述した膨張機４が設けられている（図６及び図７参照）。燃料供給ライン２には、燃料貯留部１２２からの高圧燃料ガスが流入するようになっており、膨張機４は、該高圧燃料ガスを膨張させて高圧燃料ガスから動力を取り出すようになっている。また、燃料供給ライン２において膨張機４の上流側には、加熱器２２が設けられている。
【０１１０】
また、図１０及び図１１に示す実施形態において、図１０中のＡ３〜Ａ４部分、及び、図１１中のＢ３〜Ｂ４及びＢ３〜Ｂ５部分には、燃料電池１１０のアノード１１６の出口側のＣＯ２リッチガスライン２４に、上述した圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）が設けられている（図６及び図７参照）。圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）は、ＣＯ２リッチガスライン２４を流れるＣＯ２リッチガスを圧縮するように構成されている。そして、加熱器２２では、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の排熱により、燃料供給ライン２を流れる高圧燃料ガスが加熱されるようになっている。
【０１１１】
なお、図１０及び図１１に示す実施形態において、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）を駆動するための電動機２８には、燃料電池１１０において生成された電力の少なくとも一部が供給されるようになっていてもよい。
【０１１２】
図１０に示す実施形態では下流側ＣＯ２リッチガスライン２４ｂを介して、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）により圧縮されたＣＯ２（ＣＯ２リッチガス）が回収されるようになっている。
【０１１３】
また、図１１に示す例示的な実施形態において、図１１中のＢ３〜Ｂ５部分には、圧縮機（２６Ａ，２７Ｂ）の下流側においてＣＯ２リッチガスライン２４にＣＯ２分離装置４０が設けられている（図７参照）。そして、ＣＯ２分離装置４０でＣＯ２リッチガスラインから分離されたＣＯ２は、ＣＯ２回収ライン２４ｃを介して、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）により圧縮されたＣＯ２（ＣＯ２リッチガス）が回収されるようになっている。また、ＣＯ２分離装置４０でＣＯ２リッチガスラインから除去されたＨ２又はＣＯ２を含む不純物ガスは、排出ライン３０を介して燃料供給ライン２に流入し、該不純物ガスは、予備改質器１２４及び燃料電池１１０の改質部１１８を介して燃料電池１１０のアノード１１６に供給されるようになっている。
【０１１４】
図１０及び図１１に示すように、圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）によりＣＯ２リッチガスを昇圧させることで、例えば、昇圧したＣＯ２リッチガスをＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｏｉｌ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）に利用したり、岩盤内や海中へのＣＯ２の封入及び固定化が可能となる。また、ＣＯ２リッチガスを昇圧させるための圧縮機（２６Ａ，２６Ｂ）の排熱を利用して、加熱器２２において高圧燃料ガスを加熱することにより、膨張機４においてより多くの動力を回収可能となり、プラント全体の出力および効率をより一層向上させることができる。
【０１１５】
また、図１１に示すように、ＣＯ２分離装置４０でＣＯ２リッチガスからＣＯ２を分離することにより、高純度のＣＯ２を得ることができる。また、ＣＯ２リッチガスに可燃成分ガス（Ｈ２又はＣＯ等）が不純物として含まれている場合、ＣＯ２分離装置４０により得られる不純物ガスを燃料として燃料電池１１０等で利用することにより、プラント全体としてエネルギー効率を向上させることができる。
【０１１６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【０１１７】
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【０１１８】
１        プラント
２        燃料供給ライン
２ａ      上流側燃料供給ライン
２ｂ      下流側燃料供給ライン
４        膨張機
５        回転シャフト
６        発電機
１０      燃料タンク
１２      ポンプ
１４      熱交換器
１６      圧縮機
２０      ガス化炉
２２      加熱器
２４      ＣＯ２リッチガスライン
２４ａ    上流側ＣＯ２リッチガスライン
２４ｂ    下流側ＣＯ２リッチガスライン
２６Ａ，２６Ａ’  圧縮機
２６Ｂ    圧縮機
２７      回転シャフト
２８      電動機
３０      排出ライン
３２      冷却媒体ライン
３４      熱交換器
４４      固化器
４６      冷凍機
４９      ポンプ
５０      気化器
５０ａ    第１室
５０ｂ    第２室
５２      蓋部
５４      蓋部
５６      熱源
１０２    火力発電装置
１０３    二酸化炭素回収システム
１０９    圧縮機
１１０    燃料電池
１１２    カソード
１１４    電解質
１１６    アノード
１１８    改質部
１１９    燃焼器
１２０    ＣＯシフト反応器
１２２    燃料貯留部
１２４    予備改質器
１２６    熱交換器
１３０    化学吸収塔
１３０ａ  出口
１３２    再生塔
１３４    圧縮機
１３６    ガス分離ユニット
１４０    排熱回収ボイラ
１４２    蒸気タービン
１４４    発電機
１４６    煙突
１７０    カソード入口側流路
１７２    カソード出口側流路
１７６    アノード入口側流路
１７８    バイパス流路
２００    ガスタービン
２０２    圧縮機
２０３    回転シャフト
２０４    燃焼器
２０６    タービン
２０８    発電機
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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