(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア水溶液および排気ガスを導き排気ガスの熱によりアンモニア水溶液を加熱してアンモニア蒸気を発生させる排ガス熱交換器と、この排ガス熱交換器にて発生したアンモニア蒸気を導き動力を得るガスタービンと、このガスタービンから排出された低圧のアンモニア蒸気を導きアンモニア水溶液に吸収させる低圧吸収器と、この低圧吸収器でアンモニア蒸気を吸収して濃度が濃くなった濃アンモニア水溶液を導き加熱してアンモニア蒸気を分離させる再生器と、この再生器にて分離されたアンモニア蒸気および上記低圧吸収器内の濃アンモニア水溶液を導き当該濃アンモニア水溶液にさらにアンモニア蒸気を吸収させる高圧吸収器とから構成し、
且つ上記高圧吸収器にて濃度が高くなった高濃アンモニア水溶液を上記排ガス熱交換器に移送するとともに、上記再生器にてアンモニア蒸気が分離されて濃度が薄くなった稀アンモニア水溶液を上記低圧吸収器に移送させるようになし、
さらに上記再生器から高圧吸収器に導くアンモニア蒸気の一部をガスタービンの中間段に供給させるように構成したことを特徴とするガスタービンによる排熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア蒸気を作動流体とするガスタービンによる排熱回収システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アンモニア蒸気（アンモニアガス）を作動流体とするガスタービン（アンモニア蒸気タービンともいう）を使用して、排気ガスの持つ熱エネルギーを動力として回収する排熱回収システムが提案されている。
【０００３】
この排熱回収システムはアンモニア吸収サイクルを使用するもので、図３に示すように、アンモニア水溶液［例えば、７０％濃度（アンモニア濃度、以下、同じ）］および排気ガス（例えば、５００℃）を導き排気ガスの熱によりアンモニア水溶液を蒸発させる排ガス熱交換器（蒸発器に相当）（ＥＧ）５１と、この排ガス熱交換器５１にて発生したアンモニア蒸気（例えば、温度が３００℃，圧力が３．０ＭＰａ）をアンモニア蒸気移送管６１を介して導き例えば発電機（図示せず）を回転させるガスタービン（Ｔ）７１と、このガスタービン７１から排出された低圧のアンモニア蒸気をアンモニア蒸気移送管６２を介して導き吸収液であるアンモニア水溶液に吸収させる吸収器（蒸気圧力は、例えば０．４９ＭＰａ）（Ａ）５２と、この吸収器５２でアンモニア蒸気を吸収して濃度が濃くなった濃アンモニア水溶液（例えば、５４．４％）を濃アンモニア水移送管６３を介して導き加熱する再生器（蒸気圧力が、例えば１．５２ＭＰａ）（Ｒ）５３と、この再生器５３での加熱により発生したアンモニア蒸気（例えば、９７．８％）をアンモニア蒸気移送管６４を介して導き凝縮させる凝縮器（Ｃ）５４と、この凝縮器５４にて凝縮されたアンモニア液を排ガス熱交換器５１に移送するアンモニア液移送管６５と、上記再生器５３にてアンモニア蒸気が分離されて濃度が薄くなった稀アンモニア水溶液（例えば、４５．６％）を吸収器５２に移送する稀アンモニア水移送管６６と、吸収器５２におけるアンモニア水溶液の濃度調整を行うために上記アンモニア液移送管６５内のアンモニア液の一部を吸収器５２に供給するための調整用アンモニア液移送管６７と、同じく排ガス熱交換器５１に導くアンモニア液の濃度調整（例えば、７０％）を行うために濃アンモニア水移送管６３内の濃アンモニア水溶液をアンモニア液移送管６５内に供給するための調整用アンモニア水移送管６８とから構成されたものであり、またアンモニア蒸気移送管６２と濃アンモニア水移送管６３との間、および稀アンモニア水移送管６６と濃アンモニア水移送管６３との間には、それぞれ熱交換器（ＨＶ）（ＨＬ）８１，８２が設けられ、さらに濃アンモニア水移送管６３およびアンモニア液移送管６５にはそれぞれポンプ８３，８４が設けられている。
【０００４】
なお、図３中、９１は排ガス熱交換器５１に排気ガスを供給するための排ガス供給配管、９２は再生器５３の熱源として加熱水（例えば、９０℃）を供給する加熱水供給配管、９３は吸収器５２および凝縮器５３に冷却水（例えば、３０℃）を供給するための冷却水供給配管である。
【０００５】
上記構成において５００℃程度の高温排気ガスおよび７０％程度の高濃度アンモニア水溶液が排ガス熱交換器５１に供給されて、排気ガスの有する熱により、温度が３００℃で圧力が３．０ＭＰａのアンモニア蒸気が発生される。
【０００６】
この排ガス熱交換器５１にて発生したアンモニア蒸気は作動流体としてガスタービン７１に供給されて、発電機を回転させることにより電力が取り出され、排気ガスの熱エネルギーが回収される。
【０００７】
このガスタービン７１を駆動した後の低圧のアンモニア蒸気は、吸収器５２に導かれてアンモニア水溶液に吸収された後、再生器５３および凝縮器５４を経てアンモニア液となり、さらに吸収器５２からのアンモニア水溶液が混合されて７０％の高濃度アンモニア水溶液に調整され、そして排ガス熱交換器５１に供給されて、吸収サイクルが繰り返し行われる。
【０００８】
ところで、上記ガスタービン７１から取り出し得るエネルギーすなわち仕事量は、ガスタービン７１での入口圧と出口圧との差圧に依存しており、より具体的にいえば、背圧である吸収器５２内の圧力に依存している。
【０００９】
すなわち、図４に示す上記吸収サイクルにおけるデューリング線図から分かるように、排ガス熱交換器（ＥＧ）５１の出口圧力は３．０ＭＰａで、吸収器（Ａ）５２内の圧力は０．４９ＭＰａであり、したがってガスタービン（Ｔ）７１での仕事量は、その差圧分２．５１ＭＰａに相当する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記排熱回収システムの構成によると、ガスタービン７１にて取り出すことができる仕事量は、ガスタービンの入口圧と出口圧との差に依存しており、すなわち吸収器５２内での蒸気圧力に依存しているが、ガスタービン７１でのさらなる仕事効率の向上が望まれている。
【００１１】
そこで、本発明は、仕事効率のさらなる向上を図り得るガスタービンによる排熱回収システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のガスタービンによる排熱回収システムは、アンモニア水溶液および排気ガスを導き排気ガスの熱によりアンモニア水溶液を加熱してアンモニア蒸気を発生させる排ガス熱交換器と、この排ガス熱交換器にて発生したアンモニア蒸気を導き動力を得るガスタービンと、このガスタービンから排出された低圧のアンモニア蒸気を導きアンモニア水溶液に吸収させる低圧吸収器と、この低圧吸収器でアンモニア蒸気を吸収して濃度が濃くなった濃アンモニア水溶液を導き加熱してアンモニア蒸気を分離させる再生器と、この再生器にて分離されたアンモニア蒸気および上記低圧吸収器内の濃アンモニア水溶液を導き当該濃アンモニア水溶液にさらにアンモニア蒸気を吸収させる高圧吸収器とから構成し、且つ上記高圧吸収器にて濃度が高くなった高濃アンモニア水溶液を上記排ガス熱交換器に移送するとともに、上記再生器にてアンモニア蒸気が分離されて濃度が薄くなった稀アンモニア水溶液を上記低圧吸収器に移送させるようになし、さらに上記再生器から高圧吸収器に導くアンモニア蒸気の一部をガスタービンの中間段に供給させるように構成したものである。
【００１３】
上記構成によると、吸収サイクルにおける凝縮器の替わりに、高圧吸収器を用いて蒸発器に相当する排ガス熱交換器に供給する高濃度のアンモニア水溶液を得るようにしたので、再生器での蒸気圧力を低くすることができ、したがって濃度が薄い稀アンモニア水溶液が得られるため、低圧吸収器内の蒸気圧力を低くすることができる。すなわち、ガスタービンの背圧が下がり、ガスタービンでの仕事量を増やすことことができる。
【００１４】
さらに、再生器にて発生されるアンモニア蒸気の一部をガスタービンの中間段に供給して仕事をさせるようにしたので、例えば全て凝縮器にて凝縮させていた場合に比べて、エネルギーの回収効率の向上を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るガスタービンによる排熱回収システムを、図１および図２に基づき説明する。
【００１６】
この排熱回収システムは、アンモニア吸収サイクル（カリーナ発電サイクルに基づくもの）を用いて、例えばディーゼルエンジンからの排気ガスによりアンモニア蒸気（アンモニアガス）を発生させるとともに、このアンモニア蒸気にてガスタービン（アンモニア蒸気タービンともいう）を駆動して動力を得ることにより、排熱の持つ熱エネルギーを回収するようにしたものである。
【００１７】
即ち、この排熱回収システムは、図１に示すように、濃度の高いアンモニア水溶液［例えば、５０％程度（アンモニア濃度、以下、同じ）］および高温（例えば、５００℃程度）の排気ガスを導き排気ガスの持つ熱によりアンモニア水溶液を蒸発させる排ガス熱交換器（カリーナ発電サイクルにおける蒸発器に相当）（ＥＧ）１と、この排ガス熱交換器１にて発生したアンモニア蒸気（例えば、３００℃，３．０ＭＰａ程度）をアンモニア蒸気移送管１１を介して導き、動力回収機器例えば発電機（図示せず）を回転させるガスタービン（Ｔ）２１と、このガスタービン２１から排出された低圧のアンモニア蒸気を低圧アンモニア蒸気移送管１２を介して導き、吸収液であるアンモニア水溶液に吸収させる低圧吸収器（蒸気圧力が、例えば０．１２ＭＰａ程度）（ＬＡ）２と、この低圧吸収器２でアンモニア蒸気を吸収して濃度が濃くなった濃アンモニア水溶液（例えば、２７．７％程度）を、途中に溶液ポンプ３１を有する第１濃アンモニア水移送管１３を介して導くとともに高温（例えば、９０℃程度）の加熱水により加熱してアンモニア蒸気を発生させる再生器（蒸気圧力が、例えば０．４４ＭＰａ程度）（Ｒ）３と、この再生器３で発生したアンモニア蒸気（例えば、８７．４％程度）をアンモニア蒸気移送管１４を介して導くとともに、上記低圧吸収器２内の濃アンモニア水溶液を、即ち第１濃アンモニア水移送管１３内の濃アンモニア水溶液を第２濃アンモニア水移送管１５を介して導き、当該濃アンモニア水溶液にさらにアンモニア蒸気を吸収させる高圧吸収器（ＨＡ）４と、途中に溶液ポンプ３２を有するとともにこの高圧吸収器４にてさらに濃くなった高濃アンモニア水溶液（例えば、５０％程度）を排ガス熱交換器１に移送する高濃アンモニア水移送管１６と、上記再生器３にてアンモニア蒸気が分離されて濃度が薄くなった稀アンモニア水溶液（例えば、２１．５％程度）を上記低圧吸収器２に供給するための稀アンモニア水移送管１７と、上記再生器３にて発生したアンモニア蒸気を、即ちアンモニア蒸気移送管１４内のアンモニア蒸気を上記ガスタービン２１の中間段に供給するためのアンモニア蒸気供給管１８とから構成されており、また低圧アンモニア蒸気移送管１２と第１濃アンモニア水移送管１３との間、および稀アンモニア水移送管１７と第１濃アンモニア水移送管１３との間には、それぞれ熱回収のために、第１熱交換器（ＨＶ）３３および第２熱交換器（ＨＬ）３４が設けられている。
【００１８】
なお、図１中、４１は排ガス熱交換器１に排ガスを供給するための排ガス供給配管、４２は再生器３の熱源として高温の加熱水を供給する加熱水供給配管、４３は低圧吸収器２および高圧吸収器４に冷却水（例えば、３０℃程度）を供給するための冷却水供給配管である。
【００１９】
次に、上記排熱回収システムにおける作用について説明する。
５００℃程度の高温の排気ガスおよびアンモニア濃度が５０％と高い高濃アンモニア水溶液が排ガス熱交換器１に供給され、ここで、排気ガスの有する熱により、温度が３００℃程度で圧力が３．０ＭＰａ程度の高圧のアンモニア蒸気が発生される。
【００２０】
この排ガス熱交換器１にて発生したアンモニア蒸気は、アンモニア蒸気移送管１１を介してガスタービン２１に作動流体として供給され、発電機を回転させて電力が取り出される。即ち、排気ガスの熱エネルギーが回収される。
【００２１】
このガスタービン２１を駆動した後の低圧のアンモニア蒸気は、低圧アンモニア蒸気移送管１２を介して蒸気圧力が０．１２ＭＰａ程度にされた低圧吸収器２に導かれ、ここでアンモニア水溶液に吸収される。
【００２２】
この低圧吸収器２にてアンモニア蒸気を吸収し、濃度が２７．７％程度になった濃アンモニア水溶液は、第１濃アンモニア水移送管１３を介して再生器３に供給され、ここで、９０℃の加熱水により加熱されて、濃度が８７．４％程度のアンモニア蒸気が発生される。なお、この再生器３内での蒸気圧力は、０．４４ＭＰａ程度である。
【００２３】
そして、この再生器３にて発生したアンモニア蒸気の一部は、アンモニア蒸気移送管１４およびアンモニア蒸気供給管１８を介して、ガスタービン２１の途中即ち中間段に供給されてガスタービン２１の駆動に供される。
【００２４】
一方、再生器３からのアンモニア蒸気の残りについては、アンモニア蒸気移送管１４を介して高圧吸収器４に供給され、ここで、第２濃アンモニア水移送管１５を介して溶液ポンプ３１により低圧吸収器２から供給される濃度が２７．７％程度の濃アンモニア水溶液に吸収されて、５０％程度と濃度がより高い高濃度アンモニア水溶液となり、この高濃度アンモニア水溶液が高濃度アンモニア水移送管１６を介して排ガス熱交換器１に供給されて、アンモニア蒸気による吸収サイクルが行われる。
【００２５】
なお、再生器３にてアンモニア蒸気が分離された濃度が２１．５％程度の稀アンモニア水溶液は、低圧吸収器２に移送される。
ここで、図２に吸収サイクルにおけるデューリング線図を示しておく。この図２から分かるように、排ガス熱交換器（ＥＧ）１の出口圧力は３．０ＭＰａで、低圧吸収器（ＬＡ）２内の蒸気圧力は０．１２ＭＰａであり、したがってガスタービン（Ｔ）２１での仕事量に相当する差圧分は、２．８８ＭＰａとなり、従来の２．５１ＭＰａに比べてかなり増えている。
【００２６】
上述したように、吸収サイクルにおける凝縮器の替わりに、高圧吸収器を用いて排ガス熱交換器（蒸発器に相当する）に供給する高濃度のアンモニア水溶液を得るようにしたので、再生器３での蒸気圧力を０．４４ＭＰａ程度と低くすることができ、したがって従来と同じ温度（９０℃）の加熱水でも、より濃度が薄い稀アンモニア水溶液を得ることができる。すなわち、図２のデューリング線図に示すように、低圧吸収器２内の蒸気圧力を、０．４９ＭＰａから０．１２ＭＰａに、かなり下げることができるので、ガスタービン２１の背圧が下がり、ガスタービン２１での仕事量が増加する。
【００２７】
さらに、再生器３にて発生されるアンモニア蒸気の一部をガスタービン２１の中間段に供給して仕事をさせるようしたので、例えば従来のように全て凝縮器に移送して凝縮させていた場合に比べて、すなわち、全て凝縮させるとともに、濃度調整用としてその一部を吸収器に戻していた分を、ガスタービンにおける仕事として取り出すようにしたので、エネルギーの回収効率の向上を図ることができる。
【００２８】
例えば、熱交換器などの諸元（具体的には、伝熱面積）を同一として、上記構成に係る排熱回収システムと従来例に係る排熱回収システムとを比較すると、約１．６倍の発電量が得られる。
【００２９】
ところで、上記実施の形態においては、ディーゼルエンジンからの排気ガスの熱回収を行うものとして説明したが、このものに限定されるものではなく、種々の施設から排出される排気ガスを使用することができる。
【００３０】
また、上記の排熱回収システムは、第２種［排ガス熱交換器（蒸発器）と再生器の熱源として廃熱を用いて、吸収器でより高温の出力流体を得る場合］の廃熱源がある場合に、適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明の排熱回収システムの構成によると、吸収サイクルにおける凝縮器の替わりに、高圧吸収器を用いて蒸発器に相当する排ガス熱交換器に供給する高濃度のアンモニア水溶液を得るようにしたので、再生器での蒸気圧力を低くすることができ、したがって濃度が薄い稀アンモニア水溶液が得られるため、低圧吸収器内の蒸気圧力を従来の場合よりも低くすることができる。すなわち、ガスタービンの背圧を下げることができるので、ガスタービンでの仕事効率の向上を図ることができる。
【００３２】
さらに、再生器にて発生されるアンモニア蒸気の一部をガスタービンの中間段に供給して仕事をさせるようにしたので、例えば従来のように全て凝縮器に移送して凝縮させていた場合に比べて、エネルギーの回収効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る排熱回収システムの概略構成を示す図である。
【図２】同排熱回収システムにおける作動流体のデューリング線図を示す。
【図３】従来例に係る排熱回収システムの概略構成を示す図である。
【図４】従来例の排熱回収システムにおける作動流体のデューリング線図を示す。
【符号の説明】
１      排ガス熱交換器
２      低圧吸収器
３      再生器
４      高圧吸収器
１１      アンモニア蒸気移送管
１２      低圧アンモニア蒸気移送管
１３      第１濃アンモニア水移送管
１４      アンモニア蒸気移送管
１５      第２濃アンモニア水移送管
１６      高濃度アンモニア水移送管
１７      稀アンモニア水移送管
１８      アンモニア蒸気供給管
２１      ガスタービン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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