(57)【要約】【課題】運転が容易で安定的に発電を行うことが可能であり、さらに発電電力量を増加させることが可能な副生ガスを燃料とするガスタービン発電プラントを提供する。【解決手段】本発明に係るガスタービン発電プラント２０は、工場から副次的に発生する低圧の副生ガスを昇圧する燃料圧縮機３２、前記燃料圧縮機３２で昇圧された副生ガスを燃焼させる燃焼器３４、前記燃焼器３４に圧縮空気を送る空気圧縮機３６及び発電機４０を備えるガスタービン発電設備３０と、副生ガスを冷却し除湿した後、さらに冷却し副生ガス中の二酸化炭素をドライアイスとし回収、除去する二酸化炭素除去設備１００と、を有し、前記ガスタービン発電設備３０は、二酸化炭素が除去された副生ガス又は二酸化炭素が低減された副生ガスを燃料とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工場から副次的に発生する低圧の副生ガスを昇圧する燃料圧縮機、前記燃料圧縮機で昇圧された副生ガスを燃焼させる燃焼器、前記燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機及び発電機を備えるガスタービン発電設備と、
副生ガスを冷却し除湿した後、さらに冷却し副生ガス中の二酸化炭素をドライアイスとし回収、除去する二酸化炭素除去設備と、を有し、
前記ガスタービン発電設備は、二酸化炭素が除去された副生ガス又は二酸化炭素が低減された副生ガスを燃料とすることを特徴とするガスタービン発電プラント。
【請求項２】
前記ガスタービン発電設備は、さらに発熱量を調節する混合器を有し、前記混合器で調節された副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備であり、
前記副生ガスは、高炉ガス及び高炉ガスに比較し発熱量が高く高炉ガスに混合し発熱量を所定の発熱量に増加させる高発熱量ガスを含み、
前記二酸化炭素除去設備は、前記混合器に送られる前の高炉ガス中の二酸化炭素を除去することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電プラント。
【請求項３】
前記ガスタービン発電設備は、さらに燃料圧縮機で昇圧された燃料ガスの一部を循環させる燃料ガス戻りラインと、
前記燃料ガス戻りラインを流通する高温、高圧の燃料ガスを駆動源とする膨張タービンと、
前記膨張タービンに連結する発電機と、を有し、
前記発電機で発電した電力を前記二酸化炭素除去設備の動力源として利用することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工場の操業に伴い副次的に発生する副生ガスを燃料とするガスタービン発電プラントに関し、特に工場の操業状況により変動する副生ガスに柔軟に対応することが可能で、安定的に発電を行うことが可能なガスタービン発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
図２は、製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガス等の副生ガスを燃料とする従来のガスタービン発電設備の概略的構成を示すプロセスフロー図である。高炉ガス等の低圧、低発熱量の燃料を使用するガスタービン発電設備１では、低発熱量ガスである高炉ガスを混合器２を介して高発熱量ガスと混合し、増熱された燃料ガスは、軸流式の燃料圧縮機３で昇圧して燃焼器４へ供給され、空気圧縮機５から送られる高圧の空気と混合、燃焼する。この燃焼ガスは、ガスタービン６の駆動源となり、ガスタービン６は、空気圧縮機５、燃料圧縮機３を駆動すると共に発電機７を駆動し、これにより発電を行う。燃焼器４の上流側には燃料遮断弁１３、空気圧縮機５の吸込空気ラインにはフィルタ１４を有する。高発熱量ガスとしては、転炉ガス、コークス炉ガスの他、これらガスを混合したガス、これらガスと高炉ガスとを混合した混合ガスがある。
【０００３】
燃料圧縮機３に使用する軸流式圧縮機は、サージングの範囲が広く、吸込む燃料ガス流量が所定の流量以下になるとサージングが発生するため、これを回避する目的で、発電出力が低下し燃焼器４への供給量が減少しても吸込む燃料ガス量が所定の流量以下とならないように、燃料ガス戻りライン８を通じて吐出ガス（燃料ガス）の一部を循環運転している。燃料ガス戻りライン８の途中には、戻りガス（循環ガス）量を調節するための第１ガス戻量制御弁９が備えられている。また、燃料ガス戻りライン８は、大量の戻りガスを処理するためのバイパスライン１０を有し、バイパスライン１０には、第２ガス戻量制御弁１１が設けられている。燃料圧縮機３で燃料ガスを圧縮すると、燃料ガスの温度が上昇するため、循環ガスは、燃料ガス戻りライン８に設けられたガス冷却器１２で冷却され、燃料圧縮機３に返送される。
【０００４】
上記ガスタービン発電設備１では、定格出力運転で燃料圧縮機３が吸込む燃料ガスの流量が所定の流量以上であっても燃料圧縮機３により高温、高圧となった燃料ガスの一部は、制御性を確保するためガス冷却器１２で冷却し燃料圧縮機３に返送するため、エネルギが無駄に消費されているという問題がある。この問題に対して本発明者らは、膨張タービンなどを用いてエネルギを回収する発明を行い、既に特許出願を行っている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記ガスタービン発電設備１に関しては、上記の問題の他、次のような課題がある。ガスタービン発電設備１では、大量の高炉ガス等を燃料圧縮機３で昇圧する必要があるため、ガスタービンで発生する多くの動力（電力）を消費し、発電電力量が低下する。また、高炉ガス等は、二酸化炭素、窒素を多量に含んでいるので燃焼範囲が狭く高度な燃焼管理技術が必要である。またガスタービン発電設備１は、製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガス等の副生ガスを燃料とするので、製鉄所の操業状況により発生する副生ガスの種類ごとにガス量、ガス組成、ガス発熱量が大きく変動する。特に燃料ガス発熱量を所定の発熱量に増熱するための高発熱量ガスが不足すると、多量の高炉ガスがあっても十分な発電を行うことができない。
【０００７】
現在のところ、これら課題を解決する技術は開発されておらず、開発が待たれているところである。これら課題と上記のエネルギの無駄な消費も併せて解決できればより好ましいことは言うまでもない。さらに今日では、環境に配慮した設備、プラントであることが求められており、これに合致した設備、プラントであることが好ましい。
【０００８】
本発明の目的は、運転が容易で安定的に発電を行うことが可能であり、さらに発電電力量を増加させることが可能な副生ガスを燃料とするガスタービン発電プラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の本発明は、工場から副次的に発生する低圧の副生ガスを昇圧する燃料圧縮機、前記燃料圧縮機で昇圧された副生ガスを燃焼させる燃焼器、前記燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機及び発電機を備えるガスタービン発電設備と、副生ガスを冷却し除湿した後、さらに冷却し副生ガス中の二酸化炭素をドライアイスとし回収、除去する二酸化炭素除去設備と、を有し、前記ガスタービン発電設備は、二酸化炭素が除去された副生ガス又は二酸化炭素が低減された副生ガスを燃料とすることを特徴とするガスタービン発電プラントである。
【００１０】
請求項２に記載の本発明は、前記ガスタービン発電プラントにおいて、前記ガスタービン発電設備は、さらに発熱量を調節する混合器を有し、前記混合器で調節された副生ガスを燃料とするガスタービン発電設備であり、前記副生ガスは、高炉ガス及び高炉ガスに比較し発熱量が高く高炉ガスに混合し発熱量を所定の発熱量に増加させる高発熱量ガスを含み、前記二酸化炭素除去設備は、前記混合器に送られる前の高炉ガス中の二酸化炭素を除去することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載のガスタービン発電プラントにおいて、前記ガスタービン発電設備は、さらに燃料圧縮機で昇圧された燃料ガスの一部を循環させる燃料ガス戻りラインと、前記燃料ガス戻りラインを流通する高温、高圧の燃料ガスを駆動源とする膨張タービンと、前記膨張タービンに連結する発電機と、を有し、前記発電機で発電した電力を前記二酸化炭素除去設備の動力源として利用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の本発明によれば、本発明に係るガスタービン発電プラントは、副生ガスに含まれる二酸化炭素をドライアイスとし回収、除去する二酸化炭素除去設備を有し、ガスタービン発電設備は、二酸化炭素が除去された副生ガス又は二酸化炭素が低減された副生ガスを燃料とするので、燃料ガスの発熱量が増加し、運転管理が容易となり、安定運転を実現できる。燃料ガスの発熱量が増加することで、増熱用の高発熱量ガスが不足する場合であっても発電を継続することができる。さらに副生ガスに含まれる発熱量に寄与しない二酸化炭素を除去又は低減することで処理ガス量が減少する。これにより燃料圧縮機の圧縮動力軽減及び発電量を増加させることができる。さらに処理ガス量が減少することで、燃料圧縮機のみならず接続する配管、弁類などの機器をコンパクト化することも可能となる。
【００１３】
請求項２に記載の本発明によれば、二酸化炭素除去設備で二酸化炭素が除去又は低減された後の高炉ガスを、発熱量を調節する混合器に送ることができるので、二酸化炭素除去設備のトラブルにより除去される二酸化炭素の量が変動する結果、高炉ガスの発熱量が変動しても、混合器で高発熱量ガスを用いて発熱量を調節することができる。これにより二酸化炭素除去設備の稼動状況に拘わらず、ガスタービン発電設備を安定的に継続して運転することができる。
【００１４】
請求項３に記載の本発明によれば、燃料ガス戻りラインを流通する高温、高圧の燃料ガスを利用し発電し、この電力を前記二酸化炭素除去設備の動力源として利用することができるので、エネルギの有効利用が図れる。さらに燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスを膨張タービンで膨張させるので燃料ガスの温度が低下し、この結果、燃料ガスを冷却する冷却設備をコンパクト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の一形態としてのガスタービン発電プラント２０の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【図２】高炉ガス等の副生ガスを燃料とする従来のガスタービン発電設備１の概略的構成を示すプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施の一形態としてのガスタービン発電プラント２０の概略的構成を示すプロセスフロー図である。ガスタービン発電プラント２０は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とし発電を行うガスタービン発電設備３０と、副生ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去設備１００とを含み構成される。ここでは、副生ガスに製鉄所の操業に伴い発生する高炉ガスと転炉ガスなどを混合した高発熱量ガスの一つであるミックスガスを使用する例を示す。
【００１７】
ガスタービン発電設備３０は、低圧の燃料ガスを所定の圧力まで昇圧する燃料圧縮機３２と、燃焼器３４に高圧の空気を送出する空気圧縮機３６、燃料圧縮機３２から送られる燃料ガスと空気圧縮機３６から送られる空気とを混合、燃焼させ、高温、高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器３４、燃焼器３４から送出される燃焼ガスで回転駆動されるガスタービン３８、ガスタービン３８で駆動される発電機４０を備える。燃焼器３４の上流側には燃料遮断弁３５を有する。ガスタービン３８は、発電機４０を回転駆動し発電を行うと共に、燃料圧縮機３２及び空気圧縮機３６を駆動する。
【００１８】
ガスタービン発電設備３０の燃料である高炉ガス及びミックスガスは、圧力が約０．１１ＭＰａ（ａｂｓ）と低いため燃料圧縮機３２で所定の圧力まで昇圧された後、燃焼器３４に送られる。燃料圧縮機３２は、軸流式圧縮機であり、サージングの範囲が広く、吸込む燃料ガス流量が所定の流量以下になるとサージングが発生するため、これを回避する目的で、発電出力が低下し燃焼器３４への燃料ガスの供給量が減少しても、吸込む燃料ガス量が所定の流量以下とならないように、吐出ガス（燃料ガス）の一部を燃料圧縮機３２の入口部に返送するための燃料ガス戻りライン４２を備える。
【００１９】
燃料ガス戻りライン４２は、ラインの途中に戻りガス（循環ガス）量を調節するための第１ガス戻量制御弁４４を有し、第１ガス戻量制御弁４４の下流側に入口弁５４、膨張タービン５１、出口弁５８が上流側から下流側に向かって配置され、さらにその下流に戻りガス冷却器５２が設けられている。燃料ガス戻りライン４２の入口部の戻りガスは、温度が約４１０℃、圧力が約１．５ＭＰａ（ａｂｓ）の高温、高圧のガスであり、膨張タービン５１は、燃料圧縮機３２で圧縮され高温、高圧となった戻りガスを駆動源として同軸上に連結する発電機５３を介して発電を行う。ここで発電された電力は、二酸化炭素除去設備１００の動力源として利用する。膨張タービン５１で戻りガスの有するエネルギをより多く回収するためには、膨張タービン５１の入口部における戻りガスのエンタルピが高いことが望ましい。よって、第１ガス戻量制御弁４４及び入口弁５４は、戻りガスのエンタルピができるだけ低下しないように、弁の型式などを選定することが好ましい。
【００２０】
膨張タービン５１で回収できるエネルギを、ガスタービン発電設備３０に当てはめ、計算した結果の一例を示す。燃料ガス圧縮機の吐出ガス（燃料ガス）量を約３０万ｍ３Ｎ／ｈ、ガス戻り（ガス循環）量を約１．６万ｍ３Ｎ／ｈとし、断熱膨張の理論式（例えば、機械工学便覧、基礎編、応用編、２００１年、Ｂ５−６）、及び熱収支の式を用いて計算すると、１７００〜１８００ｋＷ程度のエネルギを回収することができる。
【００２１】
燃料ガス戻りライン４２を流通する高温、高圧の戻りガスは、膨張タービン５１を駆動し圧力、温度を低下させた後、戻りガス冷却器５２に送られる。戻りガス冷却器５２は、ガス密度を大きくし、燃料圧縮機３２の圧縮効率を高める目的で設置され、戻りガスは所定の温度まで冷却された後、燃料圧縮機３２の入口部、より正確には湿式電気集塵機９０の上流側の燃料ライン７８に返送される。
【００２２】
戻りガス冷却器５２は、直冷式の冷却器であり、戻りガスに直接、冷却水を吹きかけ戻りガスを冷却する。戻りガス冷却器５２への冷却水供給は、ガス冷却器冷却水ポンプ６４、ガス冷却水冷却器６６及び冷却水温度を検出する温度検出器１５５を循環ライン途中に備える冷却水循環ライン６８を通じて行われる。ガス冷却水冷却器６６は海水を冷却媒体とし、海水供給ライン７０に設けられた海水ポンプ７２より冷却媒体である海水が供給される。海水供給ライン７０は、数台の取水ポンプ７４で海水を取水し復水器（図示を省略）に海水を送水する海水供給ライン７６の途中より分岐させている。ガス冷却水冷却器６６に供給された海水は、冷却水循環ライン６８を循環する冷却水を冷却し、温度が高くなった海水は、海に戻される。
【００２３】
先に述べたように、本実施形態に示すガスタービン発電設備３０では、戻りガス冷却器５２の上流側に膨張タービン５１が設置され、膨張タービン５１が戻りガスを断熱膨張させるので戻りガスは冷却される。これにより戻りガス冷却器５２の負荷が低減され、従来のガスタービン発電設備に比べガス冷却器冷却水ポンプ６４及び海水ポンプ７２のランニングコストを低減させることができる。
【００２４】
また燃料ガス戻りライン４２には、大量の戻りガスを処理するための第２ガス戻量制御弁４６を備える第１バイパスライン４８が連結する。この第１バイパスライン４８は、第１ガス戻量制御弁４４、入口弁５４、膨張タービン５１及び出口弁５８をバイパスし、一端を燃料ガス戻りライン４２の入口部に、他端を戻りガス冷却器５２の上流部に接続する。さらに第１ガス戻量制御弁４４の出口部には、膨張タービン５１をバイパスし、第１ガス戻量制御弁４４からの戻りガスを全て戻りガス冷却器５２に流すことが可能な流量制御弁５７を有する第２バイパスライン４９が接続する。
【００２５】
第２ガス戻量制御弁４６は、第１ガス戻量制御弁４４に比較して、多量の戻りガスを流通させることが可能なため、第１バイパスライン４８は、ユニットトリップなど流量変動の大きい場合に使用される。第２バイパスライン４９は、膨張タービン５１へ供給される戻りガス量調節や膨張タービン５１が停止するなどのトラブルが発生したような場合に燃料ガスを循環させるためのものである。上記のように、本発明の燃料ガス戻りライン４２は、第１バイパスライン４８及び第２バイパスライン４９を備えるので、膨張タービン５１又は第１ガス戻量制御弁４４に不調が生じた場合であっても、第１バイパスライン４８又は第２バイパスライン４９を通じて、燃料ガスを確実に循環させることができる。燃料ガスの循環が停止すると、ガスタービン発電プラント２０全体を停止させる必要が生じるが、このような構成を採用することで、ガスタービン発電プラント２０を安定的に運転させることができる。
【００２６】
燃料圧縮機３２への燃料ガスの供給は、燃料ライン７８を通じて行われる。燃料ライン７８は、一端を燃料圧縮機３２の入口部に他端を混合器８０の出口部に接続する。燃料ライン７８の途中には、燃料ガスに含まれる煤塵などの不純物を除去する湿式電気集塵機９０が設けられている。混合器８０は、燃料ガスの発熱量を所定の発熱量に調節するための装置であり、二酸化炭素除去設備１００で二酸化炭素が除去又は低減された高炉ガスを供給する高炉ガスライン１４０及びミックスガスを供給するミックガスライン９５が接続する。混合器８０は、高炉ガスライン１４０から送られる高炉ガスに、増熱用ガスであるミックスガスを混合し、所定の発熱量に調節する。高炉ガスが所定の発熱量を有していれば、ミックスガスが混合されないことは言うまでもない。
【００２７】
二酸化炭素除去設備１００は、高炉ガスに含まれる二酸化炭素を冷却しドライアイスとし回収、除去する設備であり、高炉ガスを冷却し高炉ガスに含まれる水分を凝縮させ除去する水分除去装置１０２、さらに水分を除去する除湿装置１０４、除湿された高炉ガスを冷却し高炉ガス中の二酸化炭素をドライアイスとし回収、除去する二酸化炭素回収装置１０６、及び冷凍媒体を供給する冷凍機１０８を含み構成される。
【００２８】
水分除去装置１０２は、高炉ガスに含まれる水分を凝縮させ除去するための装置である。高炉ガスは、飽和水蒸気に近い水分を含んでおり、高炉ガス中の二酸化炭素をドライアイスとし回収、除去するに先立ち、第１ステップとして高炉ガスを冷却し高炉ガス中の水分を凝縮水として分離、除去する。水分除去装置１０２は、第１冷却器１１０、第２冷却器１１２の２つの冷却器と凝縮水とガスとを分離する気液分離器１１４とを備える。
【００２９】
第１冷却器１１０は、隔壁式タイプの熱交換器であり、冷却水循環ライン６８を循環する冷却水を冷却媒体とし、高炉ガスライン１４２を通じて送出される高炉ガスを冷却するが、高炉ガス温度を検出する温度検出器１５７と冷却水温度を検出する温度検出器１５５の値を比べて冷却水温度が高い場合は、第１冷却器冷却水流量制御弁６７を開放して第１冷却器１１０への冷却水の供給を停止する。第２冷却器１１２も第１冷却器１１０と同様に隔壁式タイプの熱交換器であり、サブリメータ１３４で冷却され二酸化炭素が除去された後の低温の高炉ガスを冷却媒体とし、管路１１６を通じて第１冷却器１１０から送られる高炉ガスを５℃程度まで冷却する。気液分離器１１４は、管路１１８を通じて第２冷却器１１２から送られる５℃程度に冷却された高炉ガスを受入れ、高炉ガスに含まれる凝縮水を分離し系外に排出する。
【００３０】
除湿装置１０４は、水分除去装置１０２で水分が除去された高炉ガスからさらに水分を除去するための装置である。気液分離器１１４から排出される高炉ガスには、その温度に対応する飽和水蒸気相当の水蒸気が含まれており、例えば５℃の場合、約８５００ｐｐｍの水蒸気が含まれる。この状態の高炉ガスを後段の二酸化炭素回収装置１０６に送り冷却すると、高炉ガス中の水蒸気が固化しドライアイスに混入するのでこれを防ぐ目的で除湿装置１０４を用いて高炉ガス中の水分量を５０ｐｐｍ程度まで除湿する。水分量５０ｐｐｍは、ＪＩＳによる製品液炭酸の規格水分濃度と同じである。
【００３１】
除湿装置１０４は、−５０℃程度の温度に冷却された液体冷媒を保有し、この液体媒体と高炉ガスとを直接接触させ、高炉ガス中の水分を固化させるバブリング方式のドライヤ１２０と、ドライヤ１２０から排出される固化した水分を含む液体冷媒を加熱し水と液体冷媒とに分離する水分離装置１２２と、水が分離、除去された液体冷媒を冷却しドライヤ１２０に返送する液体冷媒返送ライン１２４を備え、液体冷媒は、ドライヤ１２０、水分離装置１２２及び液体冷媒返送ライン１２４を循環する。除湿装置１０４にバブリング方式以外のドライヤを使用してもよいことはもちろんであるが、バブリング方式のドライヤ１２０は、除湿性能、経済性の点から好ましいドライヤである。
【００３２】
ドライヤ１２０は、内部に液体冷媒としてトルエンを保有し、下部に分散ノズル（図示を省略）を備え、気液分離器１１４から管路１２６を通じて送風機（図示を省略）により送られる高炉ガスは分散ノズルを介してトルエン中に吹き込まれる。分散ノズルで微細気泡となった高炉ガスは、トルエンと気液接触し、高炉ガス中の水分は、冷却され氷となりトルエン中に分散する。除湿された高炉ガスは、ドライヤ１２０と二酸化炭素回収装置１０６とを結ぶ管路１２８に介装された熱交換器１３２で、二酸化炭素が除去された後の低温の高炉ガスと熱交換し、温度を−８０℃程度まで低下させ二酸化炭素回収装置１０６に送られる。ここでドライヤ１２０に使用する液体冷媒は、トルエンに限定されるものではなく、−５０℃以下の融点を有する液体であり、二酸化炭素を吸収しにくい液体が好ましい。なお、水分は固化し分離、除去する以外に、液化又は液体冷媒に吸収し分離、除去してもよい。液体冷媒として、トルエン以外にジメチルエーテル、メタノール、エタノール、エチルベンゼンが挙げられる。
【００３３】
水分離装置１２２は、加熱器（図示を省略）と分離槽を備え、ドライヤ１２０から排出される氷を含みシャーベット状となったトルエンは、加熱器で５〜２０℃程度の温度まで加熱される。加熱器で加熱され氷が溶解した水を含むトルエンは分離槽に送られ、ここで比重差により水とトルエンとに分離する。水とトルエンとの比重差は大きいので静置させるだけで簡単に水とトルエンとを分離させることができる。また水のトルエンに対する溶解度は小さいので、分離された後のトルエンに含まれる水は非常に少ない。このように比重差が大きく、水の溶解度が小さい液体を液体冷媒とすれば、静置させるだけで簡単に水と液体冷媒とを分離させることができる。なお水と液体冷媒との分離は、この方法に限定されるものではなく、使用する液体冷媒により例えば液体冷媒を加熱気化させ水と分離してもよい。分離槽で分離された水は系外に排出され、トルエンは、液体冷媒返送ライン１２４を介してドライヤ１２０に返送される。
【００３４】
液体冷媒返送ライン１２４には、送液ポンプ（図示を省略）及び冷却器１３０が介装され、水分離装置１２２で分離されたトルエンは冷却器１３０で−６０℃程度まで冷却された後、ドライヤ１２０に返送される。冷却器１３０には、冷凍機１０８から冷凍冷媒が送られる。
【００３５】
二酸化炭素回収装置１０６は、ドライヤ１２０で除湿された高炉ガスを冷却し高炉ガスに含まれる二酸化炭素をドライアイスとし回収、除去するサブリメータ１３４と、サブリメータ１３４から排出されるドライアイスを液化するドライアイス液化タンク１３６とを備える。
【００３６】
サブリメータ１３４は、塔型の本体内に複数の冷却管を備え、冷却管内を冷凍機１０８から送られる冷凍冷媒が流れ、冷却管外を高炉ガスが流れる。ここで高炉ガスは約−１１５℃まで冷却され、高炉ガスに含まれる二酸化炭素は、ドライアイスとなる。一般的な高炉ガスは、二酸化炭素の他、水素、一酸化炭素、窒素、酸素を含むがこれらガスの沸点、融点は、二酸化炭素に比べ小さくこれらガスは−１１５℃程度の温度では液化、固化することはない。サブリメータ１３４内に析出したドライアイスは、図示を省略した抜出し装置でドライアイス液化タンク１３６に送られる。ドライアイスは、ドライアイス液化タンク１３６内で締め切り加温されることで簡単に液化二酸化炭素となり、液化二酸化炭素は図示を省略した二酸化炭素回収装置に送られる。ドライアイスを液化二酸化炭素とすることで、二酸化炭素の貯留性、運搬性、取扱い性が向上する。ドライアイスは、液化させることなく固体状態で回収してもよいことは当然である。本実施形態に示す二酸化炭素回収装置１０６では、十分に除湿された高炉ガスを処理するためサブリメータ１３４内で氷が殆ど析出しない。この結果、回収されるドライアイスの純度も非常に高く、また氷が配管等に付着して閉塞することもない。なお、標準的な高炉ガスの場合、計算上、約−１１５℃の温度で約９０％の二酸化炭素が分離、除去でき、さらに冷却温度を低下させることで９０％以上の二酸化炭素を分離、除去できる。
【００３７】
サブリメータ１３４でドライアイスとなり二酸化炭素が除去された低温状態の高炉ガス、又は二酸化炭素の含有量を低減させた低温状態の高炉ガスは、管路１３８を通じて熱交換器１３２及び第２冷却器１１２に送られここで二酸化炭素除去前の高炉ガスと熱交換し温度を３０℃程度まで上昇させた後、高炉ガスライン１４０に入り混合器８０に送られる。なお、二酸化炭素が除去された低温状態の高炉ガス、又は二酸化炭素の含有量を低減させた低温状態の高炉ガスは、必要に応じて１０〜２０℃程度の低い温度の状態で混合器８０に送出してもよい。燃料圧縮機３２の入口温度が高くなると燃料圧縮機３２の効率が低下するが、二酸化炭素除去設備１００は、低温の高炉ガスを送出することもできるので、好ましい二酸化炭素除去設備と言える。
【００３８】
高炉ガスライン１４２には二酸化炭素除去設備１００をバイパスするバイパスダンパー１５０をラインの途中に有するバイパスライン１４４が設けられている。このバイパスライン１４４は、二酸化炭素除去設備１００の処理能力を上回る高炉ガスが送られてきた場合、又は二酸化炭素除去設備１００にトラブルが発生したような場合に一部又は全量の高炉ガスが二酸化炭素除去設備１００をバイパスするように使用される。正常な運転状態では、バイパスダンパー１５０は閉じられている。
【００３９】
上記構成からなるガスタービン発電プラント２０は、発熱量が低い高炉ガスから、発熱量に寄与しない二酸化炭素を分離、除去することができるので、二酸化炭素を含まない副生ガス、又は二酸化炭素の含有量が低減した副生ガスを燃料ガスとすることができる。例えば、発熱量を１０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎに調節した副生ガスを燃料ガスとする場合にあっては、一般的な高炉ガスは約２０容量％の二酸化炭素を含み、発熱量が約８００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎなので、高炉ガスに含まれる二酸化炭素を全て除去すれば、発熱量が１０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎとなり増熱用ガスであるミックスガスを混合する必要がなく、二酸化炭素を含まない高炉ガスを燃料ガスとすることができる。高炉ガスから一部、二酸化炭素を除去する場合にあっても、発熱量が増加することは言うまでもない。
【００４０】
高炉ガスから二酸化炭素を除去すると、ガスタービン３８が必要とする燃料ガス量が減少するので、燃料圧縮機３２の圧縮動力軽減を実現できる。すなわちガスタービン３８は発電機４０を回転駆動し発電を行うと共に、燃料圧縮機３２を駆動しているので圧縮動力の軽減及び発電量の増加が図れる。また高炉ガスの減容により、燃料圧縮機３２のみならず接続する配管及び弁類などの機器のコンパクト化も可能になる。また二酸化炭素を分離、除去することにより、燃焼温度が高くなるため、これまで使用できなかった高効率・高出力タイプのガスタービンを使用できる。なお、上記二酸化炭素除去設備１００の操作温度等は、二酸化炭素をドライアイスとし回収、除去する二酸化炭素除去設備１００の操作温度等の一例を示したものであり、二酸化炭素除去設備１００の操作温度等がこれに限定されないことは言うまでもない。また二酸化炭素除去設備１００を構成する水分除去装置１０２、除湿装置１０４の構成、例えば冷却器の数、個々の装置の型式なども要旨を変更しない範囲で変更してもよいことは言うまでもない。
【００４１】
上記実施形態に示すガスタービン発電プラント２０では、二酸化炭素除去設備１００を混合器８０の上流側に設置している。これにより二酸化炭素除去設備１００にトラブルが発生し、高炉ガス中の二酸化炭素濃度が変動し、混合器８０に送られる高炉ガスの発熱量が変化するような場合であっても、所定の発熱量となるように混合器８０にミックスガスを送ることができるので、ガスタービン発電設備３０を安定して運転することができる。なお、二酸化炭素除去設備１００は、燃料ガス戻りライン４２を循環している戻りガスから二酸化炭素を除去するように設置してもよい。
【００４２】
上記実施形態では、製鉄所から送出される副生ガスを例として、説明したけれども、副生ガスは製鉄所から送出される副生ガスに限定されず、化学工場などから送出される副生ガスなどを使用可能なことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４３】
２０  ガスタービン発電プラント
３０  ガスタービン発電設備
３２  燃料圧縮機
３４  燃焼器
３６  空気圧縮機
３８  ガスタービン
４０  発電機
４２  燃料ガス戻りライン
５１  膨張タービン
５３  発電機
８０  混合器
１００  二酸化炭素除去設備
１０２  水分除去装置
１０４  除湿装置
１０６  二酸化炭素回収装置
【図１】
2011106275.tif 000003
【図２】
2011106275.tif 000004