(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンからの窒素酸化物の排出量を低減させる。【解決手段】燃料１１２を受け取って水素富化流れ１１４を生成するように構成された改質器１１０、生成された水素富化流れ１１４をガスタービンエンジンの燃焼室に供給し、燃焼させて電気及び排ガス流１２６を発生するように構成された燃焼システム１１６、並びに排ガス流から熱１２８を回収して改質器に再循環させるように構成された回収熱交換器１２４を含んで全体システムを構成する。【選択図】図１
2008180213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＯｘ排出物を低減させるためのシステム（１００、１５０）であって、
燃料（１１２、３１２、４１２）を受け取って、約１０体積％以下の水素を含む水素富化流れ（１１４、３１４、４１４）を生成するように構成された改質器（１１０、３００、４００）、
水素富化流れを燃焼させて電気及び排ガス流（１２６）を発生するように構成された燃焼システム（１１６）、並びに
排ガス流から熱（１２８）を回収して改質器に再循環させるように構成された回収熱交換器（１２４、１５２）
を含んでなるシステム（１００、１５０）。
【請求項２】
水素富化流れが約１〜約３体積％の水素を含む、請求項１記載のシステム（１００、１５０）。
【請求項３】
水素富化流れが燃焼システムの操作性の窓を増大させる、請求項１記載のシステム（１００、１５０）。
【請求項４】
排ガス流から回収された熱が水蒸気を発生するために使用される、請求項１記載のシステム（１００、１５０）。
【請求項５】
改質器が水蒸気予備改質器（３１０）又は接触部分酸化改質器（４１０）である、請求項１記載のシステム（１００、１５０）。
【請求項６】
ＮＯｘ排出物が約９ｐｐｍから約３ｐｐｍ以下に低減される、請求項１記載のシステム（１００、１５０）。
【請求項７】
さらに、燃料を受け取って二酸化炭素リッチな流れ（１２１）を生成するように構成された第２の改質器を含み、二酸化炭素リッチな流れを燃焼システム内で燃焼させる、請求項１記載のシステム（１００、１５０）。
【請求項８】
ＮＯｘ排出物を低減させるための方法であって、
改質器（１００、３００、４００）により燃料（１１２）を改質して水素富化流れ（１１４、３１４、４１４）を生成する段階であって、水素富化流れが一酸化炭素、二酸化炭素、燃料及び約１０体積％以下の水素を含む段階、
分離ユニットにより水素富化流れから二酸化炭素を分離して二酸化炭素リッチな流れ（１２１）を生成する段階、
燃焼器（１３４）の第１段で水素富化流れを燃焼させる段階、
水素富化流れをさらに燃焼させるために二酸化炭素リッチな流れを燃焼器の第２段に注入する段階であって、第１段及び第２段での燃焼が熱エネルギー及び高温の圧縮混合ガス流（１３８）を生成する段階、
高温の圧縮混合ガス流を膨張させて電気及び排ガス流（１２６）を発生する段階、
燃焼器及び排ガス流から熱エネルギー（１２８、１６０）を回収する段階、並びに
回収した熱エネルギーを改質器に再循環させる段階
を含んでなる方法。
【請求項９】
水素富化流れ（１１４、３１４、４１４）が約１〜約３体積％の水素を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ＮＯｘ排出物が約９ｐｐｍから約３ｐｐｍ以下に低減される、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムにおける排出物を低減させるためのシステムであって、ガスタービン排ガス中の排出物低減のために水素富化燃料ガスを使用するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
大気汚染の問題は、世界全体にわたって厳しい排出基準をもたらした。これらの基準は、ガスタービンエンジン運転の結果として生成される窒素酸化物、未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出を規制している。特に、ガスタービンエンジン内では、運転中における高い燃焼器火炎温度の結果として窒素酸化物が生成される。
【０００３】
燃焼式タービンの燃焼器における炭化水素燃料の使用は公知である。一般に、空気及び燃料を燃焼室に供給し、そこにおいて燃料を空気の存在下で燃焼させて高温の煙道ガスを生成する。次いで、高温の煙道ガスをタービンに供給すると、それは冷却されかつ膨張して動力を発生する。燃料燃焼の副生物には、通例、一酸化窒素及び二酸化窒素（まとめてＮＯｘという）、ＣＯ、ＵＨＣ（例えば、大気中オゾンの生成の原因となるメタン及び揮発性有機化合物）並びに硫黄酸化物（例えば、ＳＯ２及びＳＯ３）を含む他の酸化物のような環境に有害な毒性物質がある。
【０００４】
燃料の燃焼中には、ＮＯｘ排出物について２つの発生源がある。（熱ＮＯｘとして知られる）燃焼器の火炎中における空中窒素の固定が主たるＮＯｘ発生源である。（燃料結合窒素として知られる）燃料中に存在する窒素の転化が、ＮＯｘ排出物の二次的な発生源である。燃料結合窒素から生成されるＮＯｘの量は、燃料組成の適切な選択及び燃焼後の煙道ガス処理によって抑制できる。すべての循環熱機関と同じく、高い燃焼温度は高い効率を意味する。しかし、高い燃焼温度によって引き起こされる問題は熱ＮＯｘの生成量である。熱的に生成されるＮＯｘは、燃焼器の火炎温度及び燃料混合物が火炎温度にある時間の指数関数である。各々の空気−燃料混合物は、燃焼器で燃焼させる空気−燃料混合物の（当量比φとして表される）空気−燃料比の関数である固有の火炎温度を有している。したがって、熱ＮＯｘの生成量は個々の空気−燃料混合物の滞留時間、圧力及び当量比に基づいている。当量比（φ）は下記の式によって定義される。
【０００５】
φ ＝ (ｍｆ/ｍｏ)実測値／(ｍｆ/ｍｏ)化学量論値
式中、「ｍｏ」は酸化剤の質量であり、「ｍｆ」は燃料の質量である。
【０００６】
ＮＯｘ生成速度は１．０の当量比で最高となるが、この時の火炎温度は化学量論的な断熱火炎温度に等しい。化学量論的条件下では、燃料及び酸素は完全に消費される。一般に、当量比が減少するのに伴い（即ち、当量比が１．０未満になって空気−燃料混合物が燃料リーンになるのに伴い）、ＮＯｘ生成速度は低下する。１．０未満の当量比では、化学量論的燃焼のために要求されるより多くの空気、したがって多くの酸素が利用できる。これは低い火炎温度を生じ、ひいてはＮＯｘの生成量を低減させる。しかし、当量比が減少するのに伴い、空気−燃料混合物は非常に燃料リーンになり、火炎はうまく燃焼しないか、或いは不安定になってブローアウトすることがある。当量比が１．０を超えると、利用可能な酸素で燃焼させ得る量を超える量の燃料が存在する（燃料リッチな混合物）。これも断熱火炎温度より低い火炎温度を生じ、ＮＯｘ生成の顕著な低減をもたらす。しかし、燃料が浪費されるので、かかるシステムはコストのかかる低効率のものである。
【０００７】
従来の発電システムでは、ガスタービンにおいて水素富化流れを使用することにより、火炎温度の低下及び操作性の向上を通じてＮＯｘ生成を低減させていた。しかし、水素生成はコストがかかることがあり、これらの発電システムは時には最適といえない効率で運転される。必要とされるのは、水素富化流れの使用により発電システムのＮＯｘ排出物を低減させる方法であって、動力発生及び水素生成の両方のコストを削減することでシステムの効率及び操作性のさらなる向上をもたらすような方法である。
【０００８】
このように、水素に富む燃料ガスを使用する発電システムであって、プロセス効率の損失を被ることなしにガスタービン排出物を低減させ得る改良発電システムに対するニーズが今なお存在している。
【特許文献１】米国特許第５，７４０，６６７号公報
【特許文献２】米国特許第６，３２４，８２７号公報
【特許文献３】米国特許第６，５３０，２２３号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／０１４４９６１号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０２１０８８１号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５／０２１７２７６号公報
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５／０２２６８０９号公報
【特許文献８】米国特許出願公開第２００１／００５１６６２号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書中には、発電システムにおける有害な排出物を低減させるためのシステム及び方法が開示される。一実施形態では、ＮＯｘ排出物を低減させるためのシステムであって、燃料を受け取って水素富化流れを生成するように構成された改質器、水素富化流れを燃焼させて電気及び排ガス流を発生するように構成された燃焼システム、並びに排ガス流から熱を回収して改質器に再循環させるように構成された回収熱交換器を含んでなるシステムが開示される。
【００１０】
別の実施形態では、ＮＯｘ排出物を低減させるためのシステムであって、燃料を受け取って、一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び燃料を含む水素富化流れを生成するように構成された改質器、改質器と流体流通可能であり、水素富化流れを受け取って水素富化流れから二酸化炭素を分離しかつ二酸化炭素リッチな流れを生成するように構成された分離ユニット、改質器及び分離ユニットと流体流通可能であり、第１段及び第２段を有する燃焼器を含みかつ燃焼器と流体流通可能なガスタービン発電機を含む燃焼システムであって、燃焼器は水素富化流れ及び二酸化炭素リッチな流れを受け取って水素富化流れを第１段で燃焼させかつ二酸化炭素リッチな流れを第２段で燃焼させると共に、熱エネルギー及び高温の圧縮混合ガス流を生成するように構成され、ガスタービン発電機は高温の圧縮混合ガス流を膨張させて電気エネルギー及び排ガス流を発生するように構成された燃焼システム、並びに燃焼システムと流体流通可能であり、燃焼器及び排ガス流から熱エネルギーを回収して改質器に再循環させるように構成された回収熱交換器を含んでなるシステムが開示される。
【００１１】
さらに、ＮＯｘ排出物を低減させるための方法であって、改質器により燃料を改質して水素富化流れを生成する段階であって、水素富化流れが一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び燃料を含む段階、分離ユニットにより水素富化流れから二酸化炭素を分離して二酸化炭素リッチな流れを生成する段階、燃焼器の第１段で水素富化流れを燃焼させる段階、燃焼器の第２段で二酸化炭素リッチな流れを燃焼させる段階であって、第１段及び第２段での燃焼が熱エネルギー及び高温の圧縮混合ガス流を生成する段階、高温の圧縮混合ガス流を膨張させて電気及び排ガス流を発生する段階、燃焼器及び排ガス流から熱エネルギーを回収する段階、並びに回収した熱エネルギーを改質器に再循環させる段階を含んでなる方法が開示される。
【００１２】
上記その他の特徴は、添付の図面及び下記の詳細な説明によって例示される。以下、例示的な実施形態を示す図面を参照しながら説明を行うが、図面中では類似の構成要素には同じ番号が付けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本明細書中には、単純サイクルガスタービンにおける窒素酸化物（ＮＯｘ）排出物を低減させるための改良発電システム及び方法が開示される。従来の発電システムとは対照的に、本明細書中に開示されるシステムは、低い水素濃度を有する水素富化燃料を用いて燃焼器内の火炎温度を低下させると共に、燃焼排ガス流からのエネルギーを捕捉及び再循環してプロセス効率を向上させかつ改質コストを削減する。その上、開示されるシステムは、既存の発電システムにレトロフィットすることで同様な改質コストの削減及び効率の向上をもたらすことができる。本明細書中で使用する用語は説明のためのものであって、限定のためのものではない。本明細書中に開示される構造上及び機能上の具体的な細部は限定的なものと解釈すべきでなく、単に特許請求の範囲に対する根拠及び当業者に本発明を様々な利用の仕方を教示するための代表的な事例として解釈すべきである。さらに、本明細書中で使用する「第１」、「第２」などの用語はいかなる順序又は重要度も意味するわけではなく、むしろある構成要素を別の構成要素から区別するために使用される。本明細書中に単数形で記載したものは、数量の制限を意味するわけではなく、むしろ記載されたものの１以上が存在することを意味する。加えて、所定の成分又は測定値の同一数量に対して適用されるすべての範囲は、端点を含むと共に独立して結合可能である。
【００１４】
次に図１について説明すれば、例示的な単純サイクル発電システム１００が示されている。システム１００は、燃料１１２を改質して水素富化流れ１１４を生成するように構成された改質器１１０を含んでいる。水素富化流れ１１４を補助燃料１２０及び酸化剤１２２と混合し、燃焼システム１１６内に導入して燃焼させることで、電力グリッド１１８に接続できる出力（例えば、電気）が発生される。
【００１５】
システム１００は、低い水素濃度を有する水素富化流れ１１４の使用によってＮＯｘ汚染物質を低減させながら電力を発生する。水素富化燃料は、燃料（例えば、天然ガス）の単独使用に比べて燃焼システム１１６の火炎温度を低下させる。前述の通り、ここでいう火炎温度は燃焼システム内での燃料−酸化剤比の尺度である当量比の関数である。１．０の当量比では、化学量論的条件が達成され、火炎温度は最も高い。通例、このような高い火炎温度において最も多くのＮＯｘが発生する。１．０未満の当量比では、燃料システム１１６は「リーン」条件下にあり、ＮＯｘの発生は急速に減少する。燃料流量を減少させ又は酸化剤流量を増加させることによって燃焼システムをリーン条件下で運転できるが、これらの条件下では操作性の窓が制限されると共に、火炎ブローアウトの問題が起こることがある。その上、火炎温度が低すぎれば、過剰の一酸化炭素及び未燃焼炭化水素が生じることがある。燃料に水素ガスをドープすれば、水素の可燃限界が低いので大きい操作性窓が可能となる。さらに、燃焼システム１１６に水素富化流れ１１４を加えれば、燃焼システムに物理的損害を及ぼすことがある燃料供給量の振動によって排出を抑制しようとする場合と異なり、汚染物質の発生を最小限に抑えながら安定な燃料供給量が維持されるので有利である。
【００１６】
図２は、燃料（例えば、天然ガス）の単独使用に比べた場合の水素富化燃料の使用によるＮＯｘ排出物の低減に関し、操作性窓の向上を示すグラフである。天然ガスに水素をドープすることで、低排出物を維持しながら発電を行うために大きい操作性窓が生み出される。このような操作性窓の向上を達成するためには、低濃度の水素しか必要とされない。好ましくは約１０体積％（ｖｏｌ％）未満、さらに好ましくは約１〜約３ｖｏｌ％の水素が燃料中に必要とされる。かかる濃度は有害な排出物を低減させかつ燃焼器性能を向上させると同時に、低濃度の水素は高濃度ないし実質的に純粋な濃度の水素を使用するシステムに比べて改質コストが削減されることも意味する。下記に一層詳しく説明するように、比較的低い水素−一酸化炭素比をもった改質ガスを生成する接触部分酸化（ＣＰＯ）改質器のような改質器が使用できる。
【００１７】
図１に戻って説明すれば、システム１００はさらに回収熱交換器１２４を含んでいる。回収熱交換器１２４は、本来ならばこのような単純サイクルシステムで失われる排ガス流１２６からの熱を改質器１１０への再循環熱１２８に有利に変換する。任意には、回収熱交換器１２４はさらに燃料１１２を改質するための水蒸気１３０を排ガス流１２６から発生させることができる。回収熱交換器１２４は、本来ならば燃焼システム１１６から失われる熱を改質器１１０で使用するエネルギーに変換するので有益である。かかる再循環は、改質器１１０の運転コストをさらに削減しながら総合プロセス効率を向上させる。
【００１８】
改質器１１０は、水素富化燃料流れを生成するのに適した任意の改質器であり得る。図４及び５は、２つの例示的な改質器システム３００及び４００を示している。図４の改質器システム３００は、水蒸気予備改質器３１０を含んでいる。燃料３１２と（共に回収熱交換器（図示せず）から再循環させることができる）熱３２８及び水蒸気３３０との組合せは、下記の反応１及び２で示すようにして燃料（例えば、天然ガス）の改質を促進する。
【００１９】
ＣｎＨｍ ＋ ｎＨ２Ｏ → ｎＣＯ ＋ (ｍ/２＋ｎ)Ｈ２                  （１）
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２                                  （２）
改質反応１は、適当な水蒸気改質触媒（例えば、ニッケル）の存在下で起こる。改質反応１は発熱性が高く、したがって改質熱交換器からの熱流３２８を予備改質器３１０に再循環させることで反応用の熱が供給される。改質反応は改質ガス（一般に合成ガスとしても知られる）の生成をもたらすが、この改質ガスを水素富化流れ３１４という。水素富化流れ３１４は、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水素（Ｈ２）、未使用燃料及び水を含んでいる。水素富化流れ３１４は、任意には燃焼システム（図示せず）に入る前に前処理することができる。破線により改質器システム３００の任意構成要素として示される冷却器３３２及び水除去段階３３４を使用することで、水素富化流れ３１４を冷却しかつ水素富化流れ３１４から水を除去することができる。
【００２０】
図５は、第２の例示的な実施形態に係る改質器システム４００を示している。改質器システム４００は、システム３００の水蒸気予備改質器の代わりに接触部分酸化（ＣＰＯ）改質器４１０を含んでいる。ＣＰＯ改質のためには、燃料４１２及び水蒸気４３０と共に酸化剤４２２を使用することで水素富化流れ４１４が生成される。ＣＰＯ改質は、下記に示すように２つの反応段階３及び４で起こる。
【００２１】
ＣｎＨｍ ＋ ｎ/２Ｏ２ → ｎＣＯ ＋ ｍ/２Ｈ２                       （３）
ＣｎＨｍ ＋ ｎＨ２Ｏ → ｎＣＯ ＋ (ｍ/２＋ｎ)Ｈ２                  （４）
反応３は発熱性である一方、反応４は吸熱性である。燃料４１２は酸化剤４２２と混合され、反応３で部分酸化されると共に、反応４で水蒸気改質される。任意には、下記のような第３の反応５に従って改質を続けることで一層多くの水素及びＣＯ２を生成できる。
【００２２】
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ ←→ Ｈ２ ＋ ＣＯ２                                （５）
反応５は水性ガス転化反応として知られ、触媒の存在下で起こる。この反応で生成するＣＯ２は、有利には、下記に一層詳しく説明するように分離して燃焼システム（図示せず）で使用できる。上記の水蒸気改質システム３００と同様にＣＰＯ改質システム４００も、水素富化流れ３１４を冷却しかつ水素富化流れ３１４から水を除去するため、破線により改質器システム４００の任意構成要素として示される冷却器４３２及び水除去段階４３４を含むことができる。
【００２３】
運転に際しては、改質器は約１０（ｗｔ／ｖｏｌ）％未満の水素濃度を有する水素富化流れを生成するように最適化される。このような低い濃度では、開示される発電システムは、燃焼器内に高濃度の水素（さらには純粋な水素）からなる供給流れを使用するシステムに比べて削減されたコストで運転できる。燃料中に低濃度の水素を使用することで、改質器の運転コストが削減されると共に、水素濃度をさらに高めるための高価な分離装置が不要となる。
【００２４】
再び図１に戻って説明すれば、水素富化流れ１１４は燃焼システム１１６に入る。燃焼システム１１６はさらに、圧縮機１３２、燃焼器１３４及びガスタービン発電機１３６を含み得る。燃焼システム１１６の燃焼器１３４に入る水素富化流れ１１４は、ガスタービン１３６を作動するのに十分な高い温度及び圧力を有していないことがある。したがって、流れ１１４に補助燃料１２０及び酸化剤１２２を添加することができる。追加の燃料１２０及び酸化剤１２２を燃焼器１３４に加えた後には、混合ガス流１３８はガスタービン発電機１３６を効果的に作動するのに十分な高い温度及び圧力を有する。かくして、電力グリッド１１８に送られる電気及び回収熱交換器１２４で回収される高温排ガス流１２が効率よく発生される。
【００２５】
燃料１１２及び１２０は、例えば、天然ガス、メタン、ナフサ、ブタン、プロパン、ディーゼル油、灯油、航空燃料、石炭系燃料、バイオ燃料、酸素添加炭化水素供給原料、及び上述の燃料の１種以上を含む混合物のような任意適宜の気体又は液体からなり得る。若干の実施形態では、燃料は好ましくは天然ガスからなり得る。酸化剤１２２は、例えば、空気、富酸素空気、貧酸素空気、純酸素などのような任意適宜の酸素含有気体からなり得る。上述のように、水素富化流れ１１４は一酸化炭素、二酸化炭素、水素、未使用燃料及び水を含み得る。本明細書中に開示されるようなシステムに関しては、水素富化流れは好ましくは約１０ｗｔ／ｖｏｌ％未満の水素を含み、さらに好ましくは約１〜約３ｗｔ／ｖｏｌ％の水素を含む。流れ１１４中の水素の量は、図２に示すように火炎温度の操作性窓を増大させるのにちょうど十分なものである。水素濃度の増加は設備コスト及び運転コストを増加させると共に、システムのＮＯｘ排出物を増加させるという悪影響を及ぼす可能性がある。
【００２６】
運転に際しては、圧縮酸化剤１２２を燃焼器１３４に送入し、補助燃料１２０及び水素富化流れ１１４と混合し、点火する。若干の実施形態では、燃焼器１３４内のバーナは燃料１１４及び１２０と酸化剤１２２との予混合物を使用でき、予混合渦流系又は非渦流系からなり得る。半径方向スワーラ、軸方向スワーラ及び／又は二重反転式スワーラも使用できる。燃焼器１３４は熱エネルギー及び高温圧縮混合ガス１３８を生成し、これらはガスタービン発電機１３６に送られる。圧縮混合ガス１３８は膨張してタービンを駆動し、次いで排ガス流１２６として回収熱交換器１２４に排出される。膨張する高圧混合ガスによるタービンの回転は、当業者には一般に知られているようにして、ガスタービン発電機１３６の発電機により電気エネルギーに変換できる。次いで、電気エネルギーは電力グリッド１１８に送ることができる。
【００２７】
任意には、燃焼器１３４は複数の運転段階を有することができる。第１段では、水素富化流れ１１４を燃焼器１３４内に注入できる。上述の通り、水素に富む燃料はリーンブローアウトマージンを増加させながら火炎温度を低下させる。したがって、燃焼器は低下した温度で運転できるので、火炎ブローアウトのような操作性の問題を生じることなしにＮＯｘ排出物が低減する。第２段では、水素富化流れ１１４の注入後にＣＯ２リッチな流れ１２１を燃焼器内に注入できる。ＣＯ２リッチな流れ１２１を注入することで、第２段で水素富化燃料を空気と予混合し、火炎温度をさらに低下させる。燃焼器内でＣＯ２リッチな流れを使用することにより、ガスをタービン上で膨張させて動力を発生することで流れの高い圧力ポテンシャルを利用できる。上述の通り、燃焼器の内部で水素富化燃料の流れを２段階に分けることは、火炎温度をさらに低下させてＮＯｘ排出物を低減させる。
【００２８】
このような任意のＣＯ２リッチな流れ１２１は、改質器システム３００と異なる温度範囲で動作することで当業者に公知のやり方でＣＯ２リッチな燃料の流れを生成する第２の改質器によって製造できる。別法として、改質器システム４００の使用により、水性ガス転化反応５の生起後に分離ユニット（図示せず）の分離装置でＣＯ２を分離できる。ＣＯ２分離ユニットには、特に限定されないが、水素富化流れからＣＯ２を分離するための圧力スイング吸着、化学吸収及びメンブレン分離を含む、当技術分野で知られている各種の技法を適用できる。
【００２９】
水素を含むガス混合物から二酸化炭素を分離するために圧力スイング吸着（ＰＳＡ）を使用することができる。ＰＳＡ技法では、高い分圧下で、固体分子ふるいが二酸化炭素を水素より強く吸着できる。その結果、高温では、水素を含むガス混合物を吸着ベッドに通した場合に二酸化炭素がガス混合物から除去される。ベッドの再生は、減圧およびパージングによって達成される。通例は臨界操作のため、二酸化炭素の連続分離用として複数の吸着容器を使用し、１つの吸着ベッドを使用している間に他のベッドを再生する。
【００３０】
ガス流から二酸化炭素を分離するための別の技法は、酸化カルシウム（ＣａＯ）及び酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又はこれらの組合せのような酸化物を用いる化学吸収である。一実施形態では、高圧及び高温で、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を生成するＣａＯによってＣＯ２を吸収し、それによりガス混合物からＣＯ２を除去する。吸収剤ＣａＯは、ＣａＣＯ３）をか焼して再びＣａＯにすることで再生される。
【００３１】
ガス流から二酸化炭素を分離するためにメンブレン分離技術を使用することもできる。メンブレン法は、一般に吸収法よりもエネルギー効率がよく、かつ操作が容易である。高温二酸化炭素分離のために使用されるメンブレンには、ＣＯ２に対して選択性を有するゼオライトおよびセラミックメンブレンがある。しかし、メンブレン技術の分離効率は低く、メンブレン分離によっては二酸化炭素の完全な分離は達成されないことがある。通例、メンブレン分離器は圧力が高いほど効率よく働き、メンブレン分離器の使用によるシフト反応器５６からの流出流れ６０からの二酸化炭素分離は、ＣＯ２の分離に先立って流出流れ６０をさらに圧縮することで達成できる。
【００３２】
水素富化流れ１１４からＣＯ２を分離するために使用されるさらに別の技法には、特に限定されないが、アミンを用いるＣＯ２の化学吸収がある。水素富化流れ１１４は、アミンを用いる二酸化炭素の化学吸収を使用するのに適した温度まで冷却すればよい。この技法は、アルカノールアミン溶媒が比較的低い温度で二酸化炭素を吸収する能力を有し、かつリッチソルベントの温度を上昇させることで容易に再生されることに基づいている。リッチソルベントの再生後には二酸化炭素リッチな流れが得られる。この技法で使用される溶媒には、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミン及びメチルジエタノールアミンがある。
【００３３】
若干の実施形態では、二酸化炭素分離器は、ＰＳＡ技法を用いて水素富化流れ１１４から二酸化炭素を分離する１以上の吸着ベッドからなり得る。若干の他の実施形態では、二酸化炭素分離器は化学吸収技法を使用する１以上の吸収容器からなり得る。さらに別の実施形態では、二酸化炭素分離器は１以上のメンブレン分離器からなる。本明細書中に記載した各種の技法を用いて、分離装置から二酸化炭素リッチな流れを生成できる。
【００３４】
水素富化燃料及び任意のＣＯ２リッチな流れを燃焼器に供給することで、環境汚染物質（特にＮＯｘ排出物）を約９ｐｐｍから約３ｐｐｍ以下に低減できる。これにより、現行の発電システムはますます厳しくなるＥＰＡ排出基準を満たすことができる。従来の発電システムでは、排出基準を満たすように燃焼排ガスをさらに処理するための追加設備（例えば、選択的接触還元（ＳＣＲ）システム、ＮＯｘトラップなど）が要求される。かかる設備は高価なばかりでなく、追加のスペースも必要とするが、このようなスペースは既存の発電システムについては制限されることがある。本明細書中に開示されるシステムは燃焼器内で排出物を有利に低減させるので、かかる既存の発電システムについて要求される唯一の追加要素は回収熱交換器である。かかる回収熱交換器は、上述の燃焼後処理装置に比べて所要のスペース及び投資が少なくて済む。その上、回収熱交換器は本来ならば失われる熱を燃焼システムから回収し、その結果として改質器システムの運転コストを削減するので有利である。
【００３５】
回収熱交換器１２４は、２つの流れを混合することなしに燃焼器及び排ガス流１２６からの熱エネルギーを（例えば）圧縮空気流に伝達できる公知タイプの熱交換器であり得る。排ガス流１２６で圧縮空気流を加熱することで、改質器１１０の温度を上昇させるための通常ヒータ又は再生ヒータのコストが回避され、他方では大気中への放出前に排ガス流１２６が冷却される。任意には、燃焼システム１１６の熱エネルギーでさらに流入する水流を加熱して水蒸気１３０を発生し、この水蒸気１３０を改質器１１０に再循環させることができる。
【００３６】
図３には、単純サイクルシステム１００での回収熱交換器１２４の代わりに熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１５２を有する複合サイクルシステム１５０が示されている。ＨＲＳＧ１５２は、ガスタービン１３６の排ガス１２６からの廃熱を利用して水蒸気１５６を発生すると共に改質器１１０に熱を供給する。ＨＲＳＧ１５２には水１５４を流す。ガスタービン排ガス１２６からの高品位熱を水に伝達することで、水蒸気１５６及び低品位熱１６０を発生する。水蒸気１５６の一部を蒸気タービン１５８に送り、そこで水蒸気を膨張させかつ冷却することで機械動力を発生する。次いで、発電機によって機械動力を電力に変換し、電力グリッド１１８に送る。任意には、膨張及び冷却後の水蒸気を蒸気タービン１５８から流出させ、凝縮器内でさらに冷却しかつ凝縮させることでＨＲＳＧ１５２用の水１５４を生成する。かくして、再循環ループが形成され、総合システム効率が向上する。
【００３７】
ガスタービン排ガス１２６の残りの低品位熱１６０は低温の等温改質器１１０に送られ、改質器１１０は低品位熱１６０を利用することで吸熱改質反応を推進して燃料１１２を改質する。低品位熱１６０は改質器１１０によって抽出され、得られた冷却排ガスは煙突に送られて大気中に放出される。
【００３８】
繰返しになるが、本明細書中に開示される通り、上述のシステム及び方法では、燃焼システムで低濃度の水素富化燃料を使用すると共に、ガスタービン排ガスの低品位熱を改質器に再循環させるための回収熱交換器が組み込まれる。それにより、いずれも運転コストを削減しながら、リーンブローアウトマージンの増加、有害な排出物の低減及びシステム効率の向上が達成される。改質器は、有利には等温でありかつ低温で運転されるように構成され、それによりガスタービン排ガスの低品位熱を利用することで燃料を改質して水素富化燃料を生成することができる。上述のシステムはまた、変化する環境排出基準に従うため、既存の発電システムに有利にレトロフィットすることができる。
【００３９】
以上、例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに様々な変更をなすことができ、またその構成要素を同等物で置換できることが当業者には理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるために多くの修正をなすことができる。したがって、本発明はこの発明を実施するために想定される最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の例示的な発電システムの概略プロセス流れ図を示している。
【図２】水素富化燃料を用いる燃焼器の燃焼ゾーン温度及び操作性において、燃料−空気比に伴う排出物及び操作性の変化を示すグラフである。
【図３】例示的な改質器システムの概略プロセス流れ図を示している。
【図４】別の例示的な改質器システムの概略プロセス流れ図を示している。
【図５】さらに別の例示的な改質器システムの概略プロセス流れ図を示している。
【符号の説明】
【００４１】
１００  システム
１１０  改質器
１１２  燃料
１１４  水素富化流れ
１１６  燃焼システム
１２１  二酸化炭素リッチな流れ
１２４  回収熱交換器
１２６  排ガス流
１２８  熱
１３４  燃焼器
１３８  高温の圧縮混合ガス流
１５０  システム
１５２  回収熱交換器
１６０  熱エネルギー
３００  改質器
３１２  燃料
３１４  水素富化流れ
４００  改質器
４１０  接触部分酸化改質器
４１２  燃料
４１４  水素富化流れ
【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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【外国語明細書】
2008180213000001.pdf