(57)【要約】本発明は、燃焼剤と炭化水素を含む燃料との混合物を燃焼させる発電機によって排出される排気中に存在する炭酸ガスの量を減少させる方法に関する。本方法では、前記燃焼剤の少くとも１部と前記排気の少くとも１部を含むガス混合物が圧縮され、この圧縮されたガス混合物中に存在する炭酸ガスの全部又は１部が吸収によって除去され、燃料が炭酸ガスが除去されたガス混合物と混合され、燃料とガス混合物から得られたその混合物が燃やされ、その燃焼行程からの排気が膨張させられる。本発明はまた前記方法を実施する発電機に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少くとも以下のａ）〜ｄ）の段階を含むことを特徴とする、燃焼剤と炭化水素を含む燃料との混合物を燃焼させる発電機によって排出される排気中に存在する炭酸ガス（ＣＯ2）のレベルを減少させる方法：
ａ）  前記燃焼剤の少くとも１部及び前記排気の少くとも１部を含むガス混合物を圧縮し、
ｂ）  圧縮したガス混合物中に存在するＣＯ2の全部又は１部を吸収によって除去し、
ｃ）  燃料を前記ガス混合物と混合し、得られた燃料とガス混合物の混合物を燃焼させ、
ｄ）  燃焼段階からの排気を膨脹させる。
【請求項２】
段階ｄ）からの排気の少くとも１部が燃焼剤と混合されて段階ａ）のガス混合物を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
吸収段階ｂ）が２つの連続するガス混合物圧縮段階間で実施される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
吸収段階ｂ）がコンプレッサー出口で実施される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
冷却された排気の全量の少くとも４０％がリサイクルされる、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
触媒式燃焼が段階ｃ）で実施される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
燃焼に必要とする本質的に化学量論量の酸素がリサイクル排気と混合される、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
燃焼剤が酸素富化空気である、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
燃焼剤が空気である、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
燃焼剤と炭化水素を含む燃料との混合物を燃焼させ、かつ、少くとも１段の圧縮段階を有する少くとも１つのコンプレッサー（２；１５，１７）、少くとも１つの燃焼手段（９）及び少くとも１つのエキスパンダーを含む発電機であって、排気の循還方向に関して燃焼手段（９）の上流に設置される炭酸ガス吸収手段（１１）を含むことを特徴とする前記発電機。
【請求項１１】
前記コンプレッサーが少くとも２つの圧縮段階（１５，１７）を含み、かつ、前記吸収手段（１１）が２つの連続する圧縮段階の間に配置される、請求項１０記載の発電機。
【請求項１２】
前記吸収手段がコンプレッサー（２；１５，１７）と燃焼手段との間に配置される、請求項１０記載の発電機。
【請求項１３】
排気の少くとも１部をコンプレッサーの上流にリサイクルさせる手段（１４）を含む、請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１４】
前記リサイクル手段が排気を冷却するための熱交換手段（１８）と連携している、請求項１３に記載の発電機。
【請求項１５】
燃焼手段（９）が触媒式バーナーを含む、請求項１０ないし１３のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１６】
吸収手段（１１）が、化学的溶媒を使用するカラム、物理的溶媒を使用するカラム、ハイブリッド（混合）溶媒を使用するカラム、極低温蒸留、膜、分子篩吸着法からなる群から選ばれる、請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電機の分野に関し、さらに詳しくはガスタービンに関する。
【０００２】
より正確には、本発明は、排気を大気に排出する前に、実質上その効率に影響を与えずに、発電機出口排気中に存在する炭酸ガス（ＣＯ2）のレベルを実質的に減少させる方法とそれに関連する装置について記述する。
【０００３】
エネルギーソースとして石炭、液体炭化水素又は天然ガスのようなガス状炭化水素などの「化石」燃料と呼ばれる燃料の使用が増加する結果として、大気中に存在するＣＯ2のレベルが恒常的に増加すると云うことが一般に認められている。
【０００４】
またこれら燃料の燃焼がこの数十年にみられた温室効果と地球温暖化の主要な原因であると云うことは確かな事実でもある。
【０００５】
したがって、近い将来中に温室効果を制限するため、ＣＯ2の最終排出の前にＣＯ2が回収できる新らしい方法（および装置）を開発し、使用することが緊急不可欠である。
【背景技術】
【０００６】
火力発電機の分野では第１位の解決法はＣＯ2を大気中に排出する前に燃焼排気中に存在するＣＯ2を収集することにある。
【０００７】
使用される方法は一般に極低温法、化学的又は物理的手段による吸収、又は膜の使用をベースとする。
【０００８】
処理する排気が大量なこと、及び前記排気中のＣＯ2分圧が低いこと、排気が実質的に大気圧である、が、何故これらの解決法が実行するために複雑でコストがかかるかを説明している。
【０００９】
最近、最終のＣＯ2放出を制限する他の方法が提供された。その例は：
−  燃焼段階に先立ってリホーミング又は部分酸化による燃料の水素（Ｈ2）及び炭酸ガス（ＣＯ2）への転化。
【００１０】
この方法は、全圧と、リホーミング段階から得られるガス状生成物中のＣＯ2分圧とを増加させる利点を与える。これがその後の炭酸ガス及び水素の分離を容易にし、次いで水素富化され実質的にＣＯ2フリーのガス分級物がガスタービン中で燃焼される。
【００１１】
そのような方法は例えば国際特許出願  ＷＯ  ９９／４１，１８８及び  ＷＯ  ００／１８，６８０に記載されている。
【００１２】
しかしながら、このタイプの方法の大きな欠点は非常にエネルギーコストの高いリホーミング段階と関連しており、その結果、上記のような方法によるプラント操業の総合エネルギー効率を著しく低下させる。さらに、全体としての採用された装置がリホーミング装置および分離装置ならびに火力発電機も含んでいるので蒿が大きく、コスト高であり、実施が複雑である。
−  燃焼空気中に存在する分子状窒素（Ｎ2）と酸素（Ｏ2）の上流での予備的分離。
【００１３】
燃焼はしたがって実質上純粋な酸素の存在下に行われ、燃焼排ガスは本質的にＣＯ2と水蒸気を含む。高温排気の膨脹によってエネルギーを回収後、炭酸ガスが水から分離され、排気の一部は通例酸素を稀釈するためにリサイクルされる。
【００１４】
この原理に基づく方法は例えば  ＷＯ  ９７／０７，３２９に記載されているが、この方法の経済的可能性は酸素と分子状窒素の分離を目的としたプラントの高コストによって制限される。
【００１５】
別の方法も最近提案された。
−  国際特許出願  ＷＯ  ００／５７，９９０は、例えば、コンプレッサーからの空気の１部との燃焼を提案している。この燃焼で得られる排気は次いで同様に加圧下で運転するＣＯ2吸収装置を通過する。
【００１６】
この方法は炭酸ガスの分圧を増加させるとともに吸収装置で処理するガスの全体積を減少させる長所を有する。
【００１７】
しかしながら、この方法は、燃焼（一般に１０００℃超の温度で実施される）で得られた排気の前記吸収を可能にする条件を得るための３０〜１２０℃範囲の温度への冷却、次いでこの吸収後の熱交換器による８００〜９００℃範囲の温度への加熱を必要とする。
【００１８】
上記のような条件（特に上記のような熱交換器の実現とコスト）に関連する技術的困難性とは別に、この方法によって生じる必然的な熱損失とエキスパンダー入口のガス温度が低いために、プラントの総合エネルギー効率は低い。
−  欧州特許  ＥＰ  ７４４，９８７−Ｂ１は、燃焼空気による燃焼で生じる排気の１部（概略４０％）の再循還を提案し、他の部分はＣＯ2吸収塔へ送られている。
【００１９】
この方法は前記排気中に存在するＣＯ2のレベルを実質的に増加させることが可能であるが、しかしこのＣＯ2レベルの増加は限定的である。
【００２０】
さらに、リサイクルされない排気部分中のＣＯ2の抽出が大気圧下、したがって大量のガス量で行われるので、必然的にコストと所要空間の問題が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、燃焼室で発生した排気中に存在する大部分のＣＯ2を簡単かつ効率的な方法で除去することを可能にする方法と発電機によって上述した欠点を克服することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明にしたがい、燃焼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排気中に存在する炭酸ガス（ＣＯ2）のレベルを減少させる方法は、少くとも以下の諸段階を含むことを特徴とする。
【００２３】
ａ）  前記燃焼剤の少くとも１部及び前記排気の少くとも１部を含むガス混合物を圧縮し、
ｂ）  圧縮したガス混合物中に存在するＣＯ2の全部又は１部を吸収によって除去し、
ｃ）  燃料を前記ガス混合物と混合し、得られた燃料とガス混合物との混合物を燃焼させ、
ｄ）  燃焼段階からの排気を膨脹させる。
【００２４】
好都合にも、段階ａ）のガス混合物を生成するために燃焼剤を段階ｄ）からの排気の少くとも１部と混合することができる。
代りの方法として、吸収段階ｂ）はガス混合物の２つの連続する圧縮段階間で実施することができる。
好都合なことに、吸収段階ｂ）はコンプレッサー出口で実施できる。
好ましくは、冷却された排気の全量の少くとも４０％がリサイクルできる。
ある実施態様によれば、触媒式燃焼が段階ｃ）で実施できる。
別の実施態様によれば、燃焼に必要とする実質的に化学量論量の酸素をリサイクルされる排気と混合できる。
【００２５】
本発明にしたがう方法では、燃焼剤は空気でも酸素富化空気でもよい。
本発明はまた燃焼剤と炭化水素を含む燃料との混合物を燃焼させ、かつ、少くとも１段の圧縮段階を有する少くとも１つのコンプレッサー、少くとも１つの燃焼手段及び少くとも１つのエキスパンダーを含む発電機にも関し、その特徴は排気の循還方向に関して燃焼手段の上流に設置される炭酸ガス吸収手段を含むことである。
コンプレッサーは少くとも２つの圧縮段階を持つことができ、そして吸収手段は２つの連続する圧縮段の間に配置することができる。
吸収手段はコンプレッサーと燃焼手段の間に設置することができる。
好都合にも、発電機は少くとも排気の１部をコンプレッサーの上流にリサイクルするための手段を含むことができる。
リサイクル手段は排気を冷却するための熱交換手段と連携することができる。
燃焼手段は触媒式バーナーを含むことができる。
好ましくは、吸収手段は化学的溶媒を使用するカラム（塔）、物理的溶媒を使用するカラム、ハイブリッド（混合）溶媒を使用するカラム、極低温蒸留、膜、分子篩吸着法からなる群から選ばれる。
【００２６】
本発明の他の特徴及び長所は、添付の図面を参照して非限定的な実施例の記述を読むことで明らかとなるであろう。図中同様な構成要素は同じ参照番号で表わされている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、液状又はガス状の炭化水素含有燃料（以下に述べる例では天然ガス）が燃やされるタービン型の発電機とこれに続くＣＯ2吸収装置を含む従来方法によるプラントの代表例である。
【００２８】
この発電機は、少くとも１つの圧縮段階を含むコンプレッサー２を含むガスタービン４、燃焼室９及びコンプレッサー２の駆動に必要なエネルギーを供給するエキスパンダー３及びオールタネータ（交流発電機）７からなる。
【００２９】
燃焼剤、本ケースでは空気は入口１を通ってコンプレッサー２に供給され、ここで圧縮される。この圧縮された空気は次いでライン５を通って燃焼室９に供給され、ライン８を通って送られるガス状燃料を燃焼させる。この燃焼で生ずる高温ガス、すなわち排気は接続ライン１０を通ってエキスパンダー３に流入する。その出口で、排気はライン１２を通って公知のＣＯ2吸収装置１１に運ばれる。このＣＯ2の大部分が除去されたら、排気は手段（ライン）６を通って大気中に排出されるのに対し、ＣＯ2は既知方法により収集処理される。
【００３０】
一般に、前記排気の熱の少くとも１部を例えばコ・ジェネレーション（co-generation、廃熱発電）又はコンバインドサイクル（combined cycle、複合サイクル）ベースで使用するため蒸気発生装置中で回収するのが通常のやり方である。ライン５を通過する圧縮空気を熱交換器によって前記排気で加熱することも可能である。
【００３１】
上に述べたように、ＣＯ2吸収は、この方法にしたがえば、ＣＯ2含量の少ない大容量の排気について大気圧下で実施しなければならないので、蒿が大きく、コストの高い装置を必要とする。
【００３２】
図２は、タービン４が、少くとも２段の圧縮段階１５及び１７を有するコンプレッサー、ライン８を通って燃料が供給される燃焼室９、コンプレッサーを駆動するのに必要なエネルギーを供給するエキスパンダー３、及びオールタネータ（交流発電機）７を含む本発明の第１の実施態様を説明している。
【００３３】
空気などの燃焼剤と燃焼室９での燃焼で生ずる排気の１部分を含むガス混合物は入口１を通ってコンプレッサーに入り、第１の圧縮段階１５によって約２〜約１０バールの間の圧力に圧縮され、次いでライン１６を経てＣＯ2吸収装置１１を通って流れる。
【００３４】
本発明の理解では、ＣＯ2吸収法は公知のどんな方法をベースとしてもよいので、これ以降は説明しない。
【００３５】
例えば、ＣＯ2吸収法は、欧州特許  ＥＰ  ７４４，９８７−Ｂ１又は国際特許出願  ＷＯ  ００／５７，９９０に記載の装置に匹敵する装置による化学的溶媒（アミン又は炭酸カリ）の使用、物理的溶媒の使用、ハイブリッド（混合）溶媒の使用、極低温蒸留、膜、さらに詳しくはガス浸透膜の使用、又は例えば分子篩吸着などの吸着方法の使用をベースとすることができる。これらの方法は、例えば“Ｎａｔｕｒａｌ  ｇａｓ：ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔ”（Ａ．Ｒｏｊｅｙ  ａｎｄ  Ｃ．Ｊａｆｆｒｅｔ），Ｅｄｉｔｉｏｎｓ  Ｔｅｃｈｎｉｐ，Ｐａｒｉｓ，１９９７に記載されている。
【００３６】
一般に当業者によって「インタークーラー（中間冷却器）」と云われている熱交換器１３は、コンプレッサーからのガス混合物の温度を吸収装置１１に入る前に好都合に低下させることができる。
【００３７】
炭酸ガスの大部分を除去された燃焼性のガス混合物は第２の圧縮段階１７で通常約１０〜約４０バールの範囲の圧力までに再圧縮され、次いでライン８を経て導入されるガス燃料を燃焼させる燃焼室９に送られる。この燃焼で発生する排気はライン１０を通ってエキスパンダー３に送られる。エキスパンダー３の出口で、燃焼排気の変えることのできる量がライン１４を通って第１の圧縮段階１５の上流（燃焼剤のタービン４内での循還の方向で）にリサイクルされて、調節された量の新らしい燃焼剤と混合される。ライン１４上に置かれた熱交換器１８は、リサイクル排気を新らしい燃焼剤の温度に近い温度に冷却可能にする。
【００３８】
本発明の範囲を逸脱することなく、例えばコ・ジェネレーション又はコンバインドサイクルベースで使用のために、蒸気発生器で前記排気の熱量の少くとも１部分を回収することが可能である。またライン５を加圧下で通過する空気を前記排気との熱交換により加熱することもできる。
【００３９】
本発明による方法及び／又は装置は、ＣＯ2吸収段階に特別な及び／又はコストの高い機器装置を必要としないので、簡単で、丈夫で、効率がよく、経済的に興味を引くと云う利点を与える。特に、段階１５における燃焼剤／排気混合物の圧縮と連合したタービン４内での排気の再循還が、前記混合物中の比較的高いＣＯ2分圧と燃焼ゾーンの上流で処理するガス容積の減少をもたらす。それ故、本発明の方法及び／又は装置は、低コストおよび少ない必要スペースで高い炭酸ガス吸収効果を与える。
【００４０】
図３は本発明の他の実施態様を説明している。本実施態様では、燃焼室９での燃焼に先立って、この場合は１段圧縮のコンプレッサー２の出口で、燃焼剤とリサイクル排気とからなる混合物に対してＣＯ2の抽出が装置１１によって実施される。実質的にＣＯ2フリーのガス混合物の吸収装置１１と燃焼室９との間の移動は接続ライン１９によって準備されている。
【００４１】
図２に関連して説明した例におけると同様、燃焼室からの排気はライン１０を通ってタービン３に到達し、エキスパンダー３の出口で、変えることのできる量の燃焼排気がライン１４を通ってコンプレッサー２の上流にリサイクルされ、調節された量の新しい燃焼剤と混合される。ライン１４上に設置された熱交換器１８が、リサイクル排気を新しい燃焼剤の温度に近い温度まで冷却することができる。
【００４２】
前述したように、前記排気の熱の少くとも１部を、例えばコ・ジェネレーション又はコンバインドサイクルベースでの使用のために蒸気発生器で回収することも可能である。また前記排気との熱交換によってライン１９を通る加圧下の空気を加熱することも可能である。
【００４３】
本発明の範囲から逸脱することなく、本発明にしたがう方法及び／又は装置の幾つかの運転方式が可能である：
−  コンプレッサーの入口１で燃焼剤として空気が用いられる。したがって、ライン１４を通ってリサイクルされる排気の割合に応じて、空気／リサイクル排気混合物中の酸素量が比較的多い場合は火焔バーナーを含む慣用の燃焼室、又は前記酸素量が比較的少ない場合は触媒式燃焼室のいずれかが使用される。
【００４４】
出願人によって行なわれたシミュレーションにより、ライン１４を通る排気のリサイクル比が全ガス量の約４０％を超える場合は、燃焼中のフレームを安定させるためには燃焼ゾーン１１入口の空気／リサイクル排気混合物中の酸素の量が十分ではないことがわかった。
【００４５】
好都合な実施態様にしたがって、既知の型の触媒式燃焼バーナー、好ましくはモノリス型であって欧州特許出願  ＥＰ−７８４，６０３、ＥＰ−７８４，１８７又は  ＥＰ−７８４，１８８に記載されているような、を含む燃焼室が安定な燃焼を供与するために使用される。
−  通常２２〜９５モル％、しばしば約４０〜約９０モル％、好ましくは６０〜９０モル％の酸素を含む酸素富化空気が燃焼剤として使用される。また燃焼室は、この場合触媒式燃焼室を含む。
【００４６】
触媒式燃焼室を使用すると燃焼で生じる大量の排気をリサイクルし、したがって処理することが可能である。この場合、排気のリサイクル比は通常約４０〜約９９％、好ましくは７０〜９９％の範囲である。
【００４７】
本発明の範囲を逸脱することなく、同じ原理と装置を当業者既知の復熱式ガスタービンサイクルに適用可能である。
【００４８】
出願人は、テストを実施し、以下の結果を得た：
【００４９】
実施例１（従来法による）
図１に説明した装置と同じような装置がこの実施例で使用される。
【００５０】
出願人によって実施されたシミュレーションにしたがって、空気が６５９００キロモル／時の流量で入口１に供給される。天然ガスからなる燃料がライン８を通って２１５０キロモル／時の流量で燃焼室９に供給される。エキスパンダー３の入口で排気の温度はほぼ１３００℃である。
【００５１】
エキスパンダー出口と吸収装置１１の入口で、処理する排気のモル流量は６８０００キロモル／時であり、この排気中に含まれる炭酸ガスの流量は２１５０キロモル／時である。この実施態様のために計算したガスタービンの電気効率（燃料のネットカロリー値（ＮＣＶ）に関して）は、炭酸ガス吸収段階なしで、１６３ＭＷ（メガワット）の電力に対して約３２％である。ＣＯ2の放出は５８１ｇＣＯ2／ＫＷＨ（キロワット時）である。
【００５２】
実施例２（本発明方法による）
図２に説明した装置と同様な装置がこの実施例で使用される。
【００５３】
出願人により実施されたシミュレーションにしたがって、空気が２１９７０キロモル／時の流量で入口１を通って流入する。燃料は２３０６キロモル／時の流量でライン８を通って燃焼室９に供給される天然ガスからなる。導入された空気の全量が、流量が２８１６０キロモル／時（排気のリサイクル比が約６０％に相当する）で熱交換器１８から来る冷いリサイクル排気とコンプレッサー上流で混合される。
【００５４】
この混合物はコンプレッサーの連続する２段の圧縮段階間で１０バールに圧縮される。圧縮された混合物は５０℃に冷却されて、アミンの循還液と圧縮されたガスの向流接触が行われる塔（カラム）である吸収手段１１中に入る。このカラムは混合物中に含まれるＣＯ2の９０％が吸収されるように寸法が決められている。含まれている殆んどのＣＯ2が除去された混合物は次の圧縮段階１７で圧縮され、次いで燃料と混合されて実質的に全部（すなわち９８％超の割合で）触媒式バーナーを備えた燃焼室９に送られる。
【００５５】
温度が略１３００℃の排気がエキスパンダー３の入口に供給される。処理される排気のモル流量は、エキスパンダーの出口で４８４７０キロモル／時であり、その６０％はコンプレッサーにリサイクルされる。排出される炭酸ガスの流量は、この場合、約１０２６キロモル／時である。この実施態様で計算された電気効率は１８０．２ＭＷの電力に対して３２．２％である。ＣＯ2放出量は２４９ｇＣＯ2／ＫＷＨである。
【００５６】
実施例３（本発明にしたがう）
この実施例では図２について説明した装置と同様な装置が使用される。実験条件は実施例２に説明したものと同じであるが、実施例３では酸素富化空気（酸素８２モル％）が使用され、５６１０キロモル／時の流量で入口１に供給される。燃料は、ライン８を通って２３０６キロモル／時の流量で燃焼室９に供給される天然ガスからなる。導入された空気の全量が、熱交換器１８から来る流量が４９０１０キロモル／時（排気のリサイクル比が約９８％に相当）の冷いリサイクル排気とコンプレッサー上流で混合される。
【００５７】
エキスパンダー出口で、処理された排気のモル比は５０１８０キロモル／時であり、その９８％がコンプレッサーにリサイクルされる。排出される炭酸ガスの流量はこの場合約５９キロモル／時である。この実施態様で計算された電気効率は１７９．２ＭＷの電力に対し３１．５％である。ＣＯ2放出量は１５ｇ／ＫＷＨである。
【００５８】
次の表は上記３実施例で得られた結果をまとめたものである。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
このように本発明は、炭酸ガスの放出を著しく減少させる一方、発電機の計算電気効率を本質的に一定に維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来法による、ガスタービン及びこのタービンからの燃焼排気中に含まれるＣＯ2を収集する装置を含む発電機のパターンを示す。
【図２】本発明による、ＣＯ2収集装置を含む発電機の第１の実施態様を示す。
【図３】本発明による、ＣＯ2収集装置を含む発電機の第２の実施態様を示す。
【国際公開パンフレット】
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2004530097.tif 000017
2004530097.tif 000018
2004530097.tif 000019
2004530097.tif 000020
2004530097.tif 000021
2004530097.tif 000022
2004530097.tif 000023
2004530097.tif 000024
2004530097.tif 000025
【国際調査報告】
2004530097.tif 000026
2004530097.tif 000027
2004530097.tif 000028
2004530097.tif 000029