(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンと圧縮機で構成されているターボ機械のタービン前段に燃焼器を配し、その作動流体が燃焼器、タービン、圧縮機の順序で通過することで軸出力を生じさせて発電を行うタービン発電装置において、各種燃料、バイオマス又は／及び廃棄物をガス化燃焼させるガス化炉と、タービンを出た高温作動ガスを外気と熱交換して冷却するとともに外気を予熱する再生熱交換器と、圧縮機の入口及び中間で作動ガスを冷却媒体と熱交換して冷却する冷却器とを備え、ガス化炉で生成した可燃ガスを燃料として燃焼器に導入するとともに、再生熱交換器からの予熱空気を燃焼器及びガス化炉に導入するようにしたことを特徴とする常圧ガス化発電装置。
【請求項２】
再生熱交換器を直列に２つ設けて、タービンを出た高温作動ガスを高温再生熱交換器、低温再生熱交換器の順で通過させて冷却し、高温再生熱交換器にてタービン出口の高温作動ガスを圧縮機からの排気ガスの一部及び低温再生熱交換器で排気ガスと同温度レベルに予熱された空気と熱交換して冷却し、低温再生熱交換器にて高温再生熱交換器で冷却された作動ガスを外気と熱交換してさらに冷却し、高温再生熱交換器からの予熱混合ガスを燃焼器及びガス化炉に導入するようにした請求項１記載の常圧ガス化発電装置
【請求項３】
タービンと圧縮機で構成されているターボ機械のタービン前段に燃焼器を配し、その作動流体が燃焼器、タービン、圧縮機の順序で通過することで軸出力を生じさせて発電を行うタービン発電装置において、タービンを出た高温作動ガスの冷却を圧縮機の吸引力を利用して取り入れた外気及び圧縮機からの排気ガスの一部との熱交換で行う直列に配した２つの再生熱交換器と、圧縮機の入口及び中間で作動ガスを冷却媒体と熱交換して冷却する冷却器とを備え、直列に設けた再生熱交換器が、タービンを出た高温作動ガスを高温再生熱交換器、低温再生熱交換器の順で通過させて冷却し、高温再生熱交換器にてタービン出口の高温作動ガスを圧縮機からの排気ガスの一部及び低温再生熱交換器で排気ガスと同温度レベルに予熱された空気と熱交換して冷却し、低温再生熱交換器にて高温再生熱交換器で冷却された作動ガスを外気と熱交換してさらに冷却し、高温再生熱交換器からの予熱混合ガスを燃焼器に導入するようにしたことを特徴とする排気循環型常圧発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、常圧燃焼で得られた常圧の高温ガスをタービンにて膨張させ、再生熱交換器、冷却器による熱回収後、圧縮機により吸引・昇圧し、排気する構成のガスタービンによる発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガスタービンのようなタービンを有するエンジンでは、まず大気圧の空気を圧縮機にて昇圧して燃焼器に導き、燃料と混合して燃焼させ、その後タービンで動力を回収していたため、燃料を圧縮機出口空気圧力よりも必ず高くする必要があり、常圧燃焼、常圧排熱利用ができないことから、各種ガス化燃料・固形燃料・未利用高温ガスを利用することは困難である。また、ガスエンジンのように排気ガスを循環させて系外への放出熱量を削減することは構造上無理であり、サイクル上デメリットとなる。
【０００３】
また、分散型発電システムとして、バイオマスや廃棄物等をガス化炉でガス化燃焼させ、ガス化炉生成ガスを利用してガスタービン又はガスエンジンで発電を行うシステムの開発が進められているが、ガスエンジンでは、ガス化炉にて高温で生成したガスの冷却が必要であり、ガス中に含まれるタール分が凝縮することから、生成ガスカロリーの減少による発電効率低下、ラインの閉塞等のトラブル発生、タール分を含む廃水の処理などの問題がある。また、従来のガスタービンでは、上述したように燃料を加圧する必要があり、燃料圧縮機の手前でガス化炉生成ガスを冷却するので、発電効率の低下、タールによる閉塞トラブル等、タールを含む廃水の処理などの問題がある。この場合、ガス化炉を加圧ガス化炉とすれば、高温ガスがそのまま投入可能となるため、ガス冷却に起因するタールの問題は無くなるが、加圧ガス化炉では燃料供給系統、灰処理系統にロックホッパあるいは同等のハンドリング設備が必要で、固体ハンドリング、コスト、運用の面から適用には問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の常圧ガス化ガスエンジン発電システム、常圧ガス化ガスタービン発電システム、加圧ガス化ガスタービン発電システムの種々の問題点は、常圧・高温ガスを投入できる内燃機関があれば解決することができる。また、常圧・高温ガスを使用するシステムであれば、従来のガスタービンでは不可能であった排気ガスの循環が可能となり、効率を高めることができる。
【０００５】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、常圧から高温のガスをタービンで膨張させ、ガスを冷却（熱回収）の後、後段の圧縮機に導くことにより軸出力を生じるサイクルを採用することで、常圧・高温ガスからのエネルギ回収が可能な従来とは全く異なるガスタービンを開発して、常圧ガス化発電システムに適用することにある。
また、本発明の目的は、常圧・高温ガスをタービン内に吸引し、後段の圧縮機との間の再生器により熱回収を行うシステムにおいて、空気とともに圧縮機から出た排気ガスの一部を再生器に導入して、再生器で効率よく予熱された混合ガスを燃焼空気として用いることにある。
【０００６】
なお、常圧燃焼で得られた常圧の高温ガスをタービンにて膨張させ、再生熱交換器、冷却器による熱回収後、圧縮機により吸引・昇圧し、排気する構成の常圧燃焼タービンは既に特許出願されている（特願２００１−９１４０５）。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の常圧ガス化発電装置は、タービンと圧縮機で構成されているターボ機械のタービン前段に燃焼器を配し、その作動流体が燃焼器、タービン、圧縮機の順序で通過することで軸出力を生じさせて発電を行うタービン発電装置において、各種燃料、バイオマス又は／及び廃棄物をガス化燃焼させるガス化炉と、タービンを出た高温作動ガスを外気と熱交換して冷却するとともに外気を予熱する再生熱交換器と、圧縮機の入口及び中間で作動ガスを冷却媒体と熱交換して冷却する冷却器とを備え、ガス化炉で生成した可燃ガスを燃料として燃焼器に導入するとともに、再生熱交換器からの予熱空気を燃焼器及びガス化炉に導入するように構成されている（図１参照）。
【０００８】
上記の装置においては、再生熱交換器を直列に２つ設けて、タービンを出た高温作動ガスを高温再生熱交換器、低温再生熱交換器の順で通過させて冷却し、高温再生熱交換器にてタービン出口の高温作動ガスを圧縮機からの排気ガスの一部及び低温再生熱交換器で排気ガスと同温度レベルに予熱された空気と熱交換して冷却し、低温再生熱交換器にて高温再生熱交換器で冷却された作動ガスを外気と熱交換してさらに冷却し、高温再生熱交換器からの予熱混合ガスを燃焼器及びガス化炉に導入する構成としてもよい（図３参照）。
【０００９】
本発明の排気循環型常圧発電装置は、タービンと圧縮機で構成されているターボ機械のタービン前段に燃焼器を配し、その作動流体が燃焼器、タービン、圧縮機の順序で通過することで軸出力を生じさせて発電を行うタービン発電装置において、タービンを出た高温作動ガスの冷却を圧縮機の吸引力を利用して取り入れた外気及び圧縮機からの排気ガスの一部との熱交換で行う直列に配した２つの再生熱交換器と、圧縮機の入口及び中間で作動ガスを冷却媒体と熱交換して冷却する冷却器とを備え、直列に設けた再生熱交換器が、タービンを出た高温作動ガスを高温再生熱交換器、低温再生熱交換器の順で通過させて冷却し、高温再生熱交換器にてタービン出口の高温作動ガスを圧縮機からの排気ガスの一部及び低温再生熱交換器で排気ガスと同温度レベルに予熱された空気と熱交換して冷却し、低温再生熱交換器にて高温再生熱交換器で冷却された作動ガスを外気と熱交換してさらに冷却し、高温再生熱交換器からの予熱混合ガスを燃焼器に導入するようにしたことを特徴としている（図２参照）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。図１は、本発明の実施の第１形態による常圧ガス化発電装置を示している。図１に示すように、各種固形燃料（一例として、バイオマス、廃棄物など）をガス化炉１０でガス化燃焼させ、生成したガス化ガスを燃料として常圧で燃焼器１２に導入する。燃焼器１２内の圧力は大気圧以下であり、後述する外気吸入の再生熱交換器１４で予熱された新鮮な空気は大気圧より多少低い圧力で燃焼器１２に流入する。常圧・高温のガス化炉生成ガスをそのまま燃焼器１２に投入でき、生成ガスを昇圧したり冷却する必要はない。なお、ガス中のタール分は、燃焼器１２での燃焼過程で分解・燃焼し、二酸化炭素と水になる。
【００１１】
燃焼器１２で得られた常圧・高温の燃焼ガスをタービン１６にて膨張させ、発生した動力で発電機１８を駆動し発電を行う。タービン１６を出た高温の排気ガスは、まず再生熱交換器１４で外気と熱交換して冷却される。再生熱交換器１４で予熱された高温空気は、前述したように燃焼器１２に導入するだけでなく、ガス化炉１０にも導入することができる。このように、再生熱交換器１４で回収したタービン排熱を、燃焼器１２での燃焼過程及びガス化炉１０でのガス化反応に有効利用することができる。
【００１２】
空気と熱交換して冷却された排気ガスは、さらに圧縮機入口と中間で水などの流体と熱交換して効率よく冷却される。図１においては、低圧圧縮機２０の入口で低圧冷却器２２によって排気ガスの温度を下げるとともにガス中の水分を凝縮させ、低圧圧縮機２０と高圧圧縮機２４の中間で高圧冷却器２６によって排気ガスの温度を下げるとともにガス中の水分を凝縮させて、圧縮機に導く排気ガス量を少なくし、圧縮動力を削減する。なお、冷却器で熱交換に用いる流体としては、水の他に、海水、海洋深層水、ＬＮＧ等を用いることができ、水からは温水、ＬＮＧからは天然ガスが得られる。また、低温の海洋深層水を冷却に有効利用してもよい。冷却効率は劣るが、冷却器の冷却流体として空気等を用いることも可能である。
圧縮機（低圧圧縮機２０、高圧圧縮機２４）で昇圧された排気ガスは、煙突２８から系外に排出される。
【００１３】
図２は、本発明の実施の第２形態による排気循環型常圧発電装置を示している。図２に示すように、燃焼器１２には燃料を常圧で導入する。燃焼器１２内の圧力は大気圧以下であり、後述する空気と排気ガスの混合ガスは大気圧より多少低い圧力で燃焼器１２に流入する。燃焼器１２に大気圧状態の燃料を昇圧することなく投入できるので、燃料圧縮機は不要である。
燃焼器１２で得られた常圧・高温の燃焼ガスをタービン１６にて膨張させ、発生した動力で発電機１８を駆動し発電を行う。
【００１４】
タービン１６を出た高温の排気ガスは、高温再生熱交換器３０、低温再生熱交換器３２を通過して冷却される。上述したように燃焼器内圧力が大気圧以下のため、圧縮機から出た排気ガスを循環させ燃焼空気として用いることが可能となり、再生熱交換器に排気ガスの一部を導入する構成としたものである。排気ガスを循環させ燃焼空気として用いることで、系外への放出熱量を削減して効率を高めることができる。この場合、例えば、再生熱交換器を直列に２つ設けて、図２に示すように、高温再生熱交換器３０にてタービン出口の高温作動ガスを圧縮機からの排気ガスの一部及び低温再生熱交換器３２で排気ガスと同温度レベルに予熱された空気と熱交換して冷却し、低温再生熱交換器３２にて高温再生熱交換器３０で冷却された作動ガスを外気と熱交換してさらに冷却し、高温再生熱交換器３０からの予熱混合ガスを燃焼器１２に導入する構成とする。このように、低温再生と高温再生など、２つ以上の再生熱交換器が直列に並んでおり、排気循環システムなど２種類以上の昇温するガス（例えば、空気と循環排気ガス）がある場合、入口温度レベル（例えば、空気なら１５℃、循環排気ガスなら９０℃）によって投入する場所を変えて、温度の差異による混合の損失を極力抑えることが可能である。また、各熱交換器の温度レベルによって最適な材質を使用することが可能であり、高性能、省コスト、省スペースの実現が可能である。
【００１５】
空気及び循環排気ガスと熱交換して冷却された排気ガスは、さらに圧縮機入口と中間で水などの流体と熱交換して効率よく冷却される。圧縮機で昇圧された排気ガスが系外に排出される。これらの詳細は、実施の第１形態の場合と同様である。
【００１６】
図３は、本発明の実施の第３形態による常圧ガス化発電装置を示している。本実施の形態は、実施の第１形態における常圧ガス化発電装置の構成に、実施の第２形態の排気循環システム用の再生熱交換器を適用したものである。その構成及び作用等は、実施の第１形態及び第２形態と同様である。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１）  常圧燃焼、常圧排熱利用が可能であり、燃料を昇圧する必要がないため、ガス化炉生成ガスをそのまま発電システムで使用することができる。また、加圧ガス化炉としなくて良いので、低コストで運用も容易である。
（２）  再生熱交換器で回収したタービン排熱は、燃焼器での燃焼過程及びガス化炉でのガス化反応に有効利用することができ、燃料量を削減できる。
（３）  圧縮機から出た排気ガスを循環させ燃焼空気として用いることで、系外への放出熱量を削減し、効率を高めることができる。
（４）  低温再生と高温再生など、２つ以上の再生熱交換器を直列に設けることにより、排気循環システムなど２種類以上の昇温するガス（例えば、空気と循環排気ガス）がある場合に、入口温度レベル（例えば、空気なら１５℃、循環排気ガスなら９０℃）によって投入する場所を変えて、温度の差異による混合の損失を極力抑えることが可能である。また、各熱交換器の温度レベルによって最適な材質を使用することが可能であり、高性能、省コスト、省スペースの実現が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態による常圧ガス化発電装置を示す概略構成説明図である。
【図２】本発明の実施の第２形態による排気循環型常圧発電装置を示す概略構成説明図である。
【図３】本発明の実施の第３形態による常圧ガス化発電装置を示す概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０  ガス化炉
１２  燃焼器
１４  再生熱交換器
１６  タービン
１８  発電機
２０  低圧圧縮機
２２  低圧冷却器
２４  高圧圧縮機
２６  高圧冷却器
２８  煙突
３０  高温再生熱交換器
３２  低温再生熱交換器
【図１】
0003734759.tif 000002
【図２】
0003734759.tif 000003
【図３】
0003734759.tif 000004