(57)【要約】      （修正有）【課題】ターボ機械の二酸化炭素（ＣＯ2）濃度を制御する。【解決手段】ターボ機械４は、圧縮機区画６と、圧縮機区画６に作動的に接続されたタービン区画８と、圧縮機区画６とタービン区画８との間に流体的に接続された燃焼器１２と、燃焼器１２に流体的に接続された二酸化炭素ＣＯ2抽出システム５０とを備える。ＣＯ2抽出システム５０は、ＣＯ2セパレータ５４を含む。ＣＯ2セパレータ５４は、ＣＯ2に富んだ流入ガスを、第１ガス流６４と第２ガス流６６とに分離する。第１ガス流６４はＣＯ2を実質的に含まず、第２ガス流は６６ＣＯ2を含む。第１ガス流６４は燃焼器１２に導かれ、第２ガス流６６は放出管７２を通過する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機区画（６）と、
前記圧縮機区画（６）に作動的に接続されたタービン区画（８）と、
前記圧縮機区画（６）と前記タービン区画（８）との間に流体的に接続された燃焼器（１２）と、
前記燃焼器（１２）に流体的に接続された二酸化炭素（ＣＯ2）抽出システム（５０）と、を含むターボ機械（４）であって、
前記ＣＯ2抽出システム（５０）がＣＯ2セパレータ（５４）を備え、
前記ＣＯ2セパレータ（５４）が、ＣＯ2に富んだ流入ガス流を第１ガス流（６４）と第２ガス流（６６）とに分離し、
前記第１ガス流（６４）がＣＯ2を実質的に含まず、
前記第２ガス流（６６）がＣＯ2を含み、
前記第１ガス流（６４）が前記燃焼器（１２）に導かれ、前記第２ガス流（６６）が放出管（７２）を通る、ターボ機械（４）。
【請求項２】
前記放出管（７２）に配置された放出ガス弁部材（７５、８９）を更に含み、
前記放出ガス弁部材（７５、８９）を選択的に開放することによって、前記第１ガス流（６４）のＣＯ2濃度を制御する、請求項１に記載のターボ機械（４）。
【請求項３】
前記放出管（７２）が前記タービン区画（８）に流体的に接続された、請求項２に記載のターボ機械（４）。
【請求項４】
前記放出管（７２）が、前記タービン区画（８）の排気部分（１４、３３）に流体的に接続された、請求項３に記載のターボ機械（４）。
【請求項５】
前記圧縮機区画（６）と前記ＣＯ2抽出システム（５０）とを流体的に接続する抽気路（８０）を更に含む、請求項１に記載のターボ機械（４）。
【請求項６】
前記抽気路（８０）に配置された抽気弁部材（７５、８９）を更に含み、
前記抽気弁部材（７５、８９）を選択的に開放することによって、前記第１ガス流（６４）のＣＯ2濃度を制御する、請求項５に記載のターボ機械（４）。
【請求項７】
前記ＣＯ2セパレータ（５４）がＣＯ2メンブレン（５６）を含む、請求項１に記載のターボ機械（４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の主題は、ターボ機械の技術に関し、特に、ターボ機械の二酸化炭素（ＣＯ2）濃度を制御するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属鋳造所では、高炉を使用して、コークスを用いて鉄鉱石を還元し金属鉄にすることが多い。高炉は、発熱量が小さい高炉ガスを発生する。高炉ガスは、鋳造所の様々な機械に動力供給するための燃料として使用されることが多い。例えば、高炉ガスを用いて、鋳造所の発電を行う発電機を作動させるターボ機械に動力を供給する。即ち、圧縮機区画からの圧縮空気は、高炉ガスと混合され、燃焼器で点火され、更にターボ機械のタービン区画へと導かれる。タービン区画は、鋳造所の電気エネルギーを創出するように構成された発電機に結合される。一般に、高炉ガスは、約６０％の窒素、１８％〜２０％の二酸化炭素、並びに、幾分の酸素を含み、残りが一酸化炭素となる。希薄燃料である高炉ガスは、高流量でターボ機械の燃焼器に導入される。高流量により、圧縮機区画がストール限界に達することがある。そこで、圧縮機区画から抽気を行い、これをタービン区画の排気部分に送給することで、圧縮機のストールを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６２３７３２０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ターボ機械の二酸化炭素（ＣＯ2）濃度を制御する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様において、ターボ機械は、圧縮機区画と、圧縮機区画に作動的に接続されたタービン区画と、圧縮機区画とタービン区画との間に流体的に接続された燃焼器と、燃焼器に流体的に接続された二酸化炭素（ＣＯ2）抽出システムと、を備える。ＣＯ2抽出システムは、ＣＯ2セパレータを備える。ＣＯ2セパレータは、ＣＯ2に富んだ流入ガス流を、第１ガス流と第２ガス流とに分離する。第１ガス流はＣＯ2を実質的に含まず、第２ガス流はＣＯ2を含む。第１ガス流は燃焼器に導かれ、第２ガス流は放出管を通過する。
【０００６】
本発明の別の態様において、高炉ガス発電プラントは、排気部分を含む高炉と高炉の排気部分に流体的に接続された炉ガス圧縮機とを備える。炉ガス圧縮機では、高炉からの高炉ガスが与圧される。ガス炉発電プラントは更に、圧縮機区画を有するターボ機械と、圧縮機区画に作動的に接続されたタービン区画と、圧縮機区画とタービン区画との間に流体的に接続された燃焼器とを備える。二酸化炭素（ＣＯ2）抽出システムは、炉ガス圧縮機と燃焼器とに流体的に接続される。ＣＯ2抽出システムは、ＣＯ2セパレータを含む。ＣＯ2セパレータは、炉ガス圧縮機からのＣＯ2に富んだ流入ガスを、第１ガス流と第２ガス流とに分離する。第１ガス流はＣＯ2を実質的に含まず、第２ガス流はＣＯ2を含む。第１ガス流は燃焼器に導かれ、第２ガス流は放出管を通過する。
【０００７】
本発明の更に別の態様において、高炉ガス発電プラントの作動方法は、二酸化炭素（ＣＯ2）を含む高炉ガスを生成するステップと、炉ガス圧縮機に高炉ガスを導入して与圧された高炉ガスを生成するステップと、この与圧された高炉ガスをＣＯ2抽出システムに通すステップと、与圧された高炉ガスからＣＯ2を抽出してＣＯ2を実質的に含まない第１与圧ガス流とＣＯ2を含む第２与圧ガス流とを生成するステップと、ターボ機械の燃焼器に第１与圧ガス流を導入するステップを含む。
【０００８】
図面に関連した下記の説明から、これら及びその他の利点及び特徴が更に明らかとなる。
【０００９】
本明細書の結びの特許請求の範囲において、本発明とみなされる主題を個別に提示し明記している。本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、添付図面に関連した下記の説明から明らかである。
【００１０】
発明を実施するための形態では、例示の目的で、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に、図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施例の一態様による、ＣＯ2濃度を制御するためのシステムを有するターボ機械を備えた高炉ガス発電プラントの概略図である。
【図２】一実施例の別の態様による、ＣＯ2濃度を制御するためのシステムを有するターボ機械を備えた高炉ガス発電プラントの概略図である。
【図３】一実施例のまた別の態様による、ＣＯ2濃度を制御するためのシステムを有するターボ機械を備えた高炉ガス発電プラントの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１を参照して、一実施例による高炉ガス（ＢＦＧ）発電プラントを概略的に２で示す。ＢＦＧ発電プラント２は、一般的な圧縮機／タービンシャフト１０によって作動的に接続された圧縮機区画６及びタービン区画８を有する、ターボ機械４を備える。圧縮機区画６及びタービン区画８は、燃焼器１２によって流体的に接続されている。タービン区画８は、廃熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１６に流体的に接続された排気部分１４を含む。ＢＦＧ発電プラント２は更に、炉ガス圧縮機（ＦＧＣ）４０に流体的に接続された排気部分３３を有する高炉３０を備える。この構造では、高炉３０からの炉ガスが、ＦＧＣ４０によって与圧され、燃料として燃焼器１２に受け渡される。与圧された炉ガスが、圧縮機区画６からの或る一定量の抽気と混合され、点火されて、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは次に、タービン区画８の第１段に受け渡される。タービン区画８は、燃焼ガスの熱エネルギーを、高炉設備に電力を供給する発電機の作動に使用する力学的／回転エネルギーに変換する。
【００１３】
一実施例によると、二酸化炭素（ＣＯ2）は、燃焼器１２に到達する前に、与圧された高炉ガスから除去される。与圧された高炉ガスからＣＯ2を除去することで、圧縮機区画６からの所要抽気量が減少するので、燃焼器１２の燃焼温度を高めることができる。燃焼に必要な抽気量を低下させ、燃焼器での燃焼温度を高めることにより、ガスタービン性能が向上する。ＣＯ2を除去するにあたり、与圧された高炉ガスが、二酸化炭素抽出システム５０を通る。一実施例の一態様によると、二酸化炭素抽出システム５０は、二酸化炭素メンブレン５６の形態をとる二酸化炭素セパレータ５４を備える。
【００１４】
一実施例によると、与圧された高炉ガス５９は、ＦＧＣ４０から二酸化炭素抽出システム５０に受け渡される。二酸化炭素セパレータ５４は、与圧された高炉ガス５９を、二酸化炭素を実質的に含まない第１与圧ガス流６４と、二酸化炭素を含む第２与圧ガス流６６とに分割する。「実質的に含まない」とは、一実施例の一態様によると、第１与圧ガス流６４が二酸化炭素を９５％含まないことを意味すると理解されたい。一実施例の別の態様によると、第１与圧ガス流６４は二酸化炭素を９８％含まない。一実施例のまた別の態様によると、第１与圧ガス流６４は二酸化炭素を９９％含まない。一実施例の更に別の態様によると、第１与圧ガス流６４は完全に、１００％二酸化炭素を含まない。
【００１５】
第１与圧ガス流６４は、燃料管６９を通り、燃焼器１２に至り、ターボ機械４で燃料として使用される。第２与圧ガス流６６は、制御弁部材７５を有する放出管７２を通過して、図示の一実施例によると、排気管７６を介してタービン区画８の排気部分１４へと導かれる。更に、一実施例によると、制御弁部材７５を選択的に開閉することにより、第２与圧ガス流６６の所望の流量を得る。第２与圧ガス流６６の流量を制御することにより、第１与圧ガス流６４において所望レベルの二酸化炭素を得る。第１与圧ガス流のＣＯ2レベルを制御することで、燃焼器１２をよりフレキシブルに制御できるようになるので、ターボ機械４の性能が向上し、排出規制への適合性が高まる。
【００１６】
ここで図２を参照するが、一実施例の別の態様を説明するにあたり、各図で一致するパーツを同様の参照番号で示す。図示の構造によると、第２与圧ガス流６６は、放出管７２から副放出管７８に導かれる。副放出管７８からは、第２与圧ガス流６６が周囲環境に放出されるか、又は、貯蔵その他の用途のために別のシステムに受け渡される。この構造では、第２与圧ガス流６６を排気部分１４に受け渡す代わりに、伴出された二酸化炭素を捕捉して他の目的で使用し、ＢＦＧ発電プラント２から更なる実用性を引き出すこともできる。
【００１７】
図３をここで参照するが、一実施例のまた別の態様を説明するにあたり、各図で一致するパーツを同様の参照番号で示す。図示の構造によると、二酸化炭素抽出システム５０は、与圧された高炉ガス５９をＦＧＣ４０から受け取ることに加えて、圧縮機区画６から抽気７９を受け取る。より具体的には、圧縮機区画６が、抽気路８０によって二酸化炭素セパレータ５４に流体的に接続される。抽気路８０は、圧縮機区画６から二酸化炭素セパレータ５４まで抽気７９を搬送するべく、選択的に開閉することにより抽気の流量を制御する抽気制御弁部材８９を備える。この構造において、抽気制御弁部材８９は、制御弁部材７５とは別個に作動可能及び／又は連動して作動可能であり、これによって、第１与圧ガス流６４の二酸化炭素量を調節する。図示のように、第２与圧ガス流６６は、タービン区画６の排気部分１４に導かれるか、又は、別の用途として捕集システムに受け渡される。
【００１８】
ここで、これらの実施例は、高炉発電プラントの燃料ガス流中の二酸化炭素量を制御するシステムを提供することを理解されたい。燃焼器に供給する高炉ガスのＣＯ2量を制御することにより、圧縮機区画からの所要抽気量が減少する。可燃混合気中のＣＯ2量を減少させることにより、燃焼器の燃焼温度を高めることができる。圧縮機保護のために必要な抽気量を減少させ、燃焼器の燃焼温度を高めることにより、ガスタービン性能が向上する。
【００１９】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳説したが、本発明がこうした開示の実施形態に限定されないことは、明らかであろう。むしろ、本発明を改変して、上述しなかった変形、変更、置換、又は等価の構造を幾つでも組み込むことができるが、これらも本発明の範囲及び概念に含まれる。また、本発明の様々な実施形態を記述したが、本発明の態様には、記述した実施形態の一部を含むのみでもよいことを理解されたい。したがって、本発明が上記の記述によって限定されるとみなすべきではなく、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２０】
２  高炉ガス発電プラント
４  ターボ機械
６  圧縮機区画
８  タービン区画
１０  一般的な圧縮機／タービンシャフト
１２  燃焼器
１４、３３  排気部分
１６  廃熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
３０  高炉
４０  炉ガス圧縮機（ＦＧＣ）
５０  二酸化炭素抽出システム
５４  二酸化炭素セパレータ
５６  二酸化炭素メンブレン
５９  与圧された高炉ガス
６４  第１与圧ガス流
６６  第２与圧ガス流
６９  燃料管
７２  放出管
７５、８９  制御弁部材
７６  タービン排気管
７８  副放出管
７９  抽気
８０  抽気路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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