JP2013506087A - Ｃｏ２捕捉発電装置 - Google Patents

Abstract

ＣＯ２が、主要な温室効果ガスであると明らかになっているので、その捕捉および貯蔵は地球温暖化を抑制するのに必須である。ＣＯ２を捕捉して圧縮するように設計された発電装置と、後付け対応発電装置と、従来型の発電装置をＣＯ２捕捉装置に後付けする効率的な方法との競争力により、ＣＯ２捕捉システム（１２）の早期利用が可能になるはずである。本発明の目的は、従来型の部分へのＣＯ２捕捉システム（１２）の影響が最低限の化石燃料発電装置ならびにこのような発電装置を運転する方法を提供することである。さらに、ＣＯ２捕捉装置の後付けに対応する発電装置、および既存の装置を、ＣＯ２捕捉を伴う発電装置へと改造する方法、ならびにこの種の装置を運転する方法が、本発明の目的である。本発明の主要な態様の１つは、ＣＯ２捕捉システム（１２）を運転するのに必要な蒸気および電力を供給することができる発電装置部分を追加することと、従来型の発電装置部分および追加の発電装置部分の煙道ガス流からＣＯ２を除去する能力を有するＣＯ２捕捉システム（１２）を提供することである。

Description

本発明は、一体化したＣＯ２捕捉を備えた発電装置、並びに、ＣＯ２捕捉対応の発電装置に関する。

近年、温室効果ガスの発生が地球温暖化をもたらしており、温室効果ガスの生成が増加すると地球温暖化が加速されることになる、ということが明白になっている。ＣＯ２（二酸化炭素）が主要な温室効果ガスとして特定されているので、炭素の捕捉および貯蔵は、大気中への温室効果ガスの放出を低減して地球温暖化を抑制する可能性のある主要な手段の１つと考えられる。本願明細書では、ＣＣＳは、ＣＯ２の捕捉、圧縮、移送および貯蔵のプロセスとして定義される。捕捉は、炭素ベース燃料の燃焼後に煙道ガスからＣＯ２を除去するプロセス、または燃焼よりも先に炭素を除去して処理するプロセスのいずれかとして定義される。何らかの吸収剤、吸着剤または煙道ガスもしくは燃料ガスの流れからＣＯ２の炭素を除去する他の手段の再生は、捕捉プロセスの一部分であると考えられる。

現在、大規模な工業用途に最も近いと考えられるＣＯ２捕捉技術は、燃焼後捕捉である。燃焼後捕捉では、煙道ガスからＣＯ２が除去される。残りの煙道ガスは大気に放出され、ＣＯ２は、搬送および貯蔵のために圧縮される。吸収、吸着、膜分離、および深冷分離など、煙道ガスからＣＯ２を除去するための既知のいくつかの技術がある。

ＣＯ２の捕捉および圧縮用のすべての既知の技術は、比較的大量のエネルギーを必要とする。様々なプロセスの最適化、ならびにこれらのプロセスを発電装置に組み込むことによる電力低下および効率上の不利点に関して、多くの出版物がある。

燃焼後捕捉の例およびＣＯ２吸収による電力出力の不利点を緩和するための方法が、それぞれ吸収液体の再生とともに特許文献１に示されている。ここでは、タービン出力の低下を最小限にするために、発電装置の蒸気タービンの様々なステージから吸収剤を再生するための蒸気を抽出することが提案されている。

同一の状況で、特許文献２には、吸収剤を再生するためのＣＯ２流の圧縮から生じる圧縮熱の利用が提案されている。

さらに、スワール・ノズルを使用する深冷ＣＯ２分離の利用およびこの方法の発電装置プロセスへの組込みを最適化するための取組みが、例として特許文献３に説明されている。

これらの方法は、特定のＣＯ２捕捉機器の所要電力を低減することを目的とするものであるが、装置および装置運転の複雑さが増す。さらに、複雑な統合的解決策では、既存の発電装置または発電装置のコンセプトの中にＣＯ２捕捉機器を後付けするのが困難である。

欧州特許第１６８８１７３号明細書 国際公開第２００７／０７３２０１号パンフレット 米国特許出願第２００９／０１７３０７３号明細書 米国特許第５５７７３７８号明細書

本発明の主たる目的は、装置の従来型部分へのＣＯ２捕捉システム（ＣＯ２捕捉装置とも称される）の影響が最低限の化石燃料発電装置ならびにこのような装置を運転する方法を提供することである。さらに、ＣＯ２捕捉装置の後付けに対応する発電装置、および既存の装置を、ＣＯ２捕捉を伴う発電装置へと改造する方法、ならびにこの種の装置を運転する方法が、本発明の目的である。

この目的のために、ＣＯ２捕捉のない従来型の発電装置と基本的には同様に設計されている少なくとも１つの従来型の部分と少なくとも１つの追加の化石燃料発電装置部分とに加えて、従来型の装置部分および追加のＣＯ２発電装置部分の煙道ガスからＣＯ２を捕捉するように設計された少なくとも１つのＣＯ２捕捉システムといった、少なくとも２つの部分を備える装置が提案される。発電装置の従来型の部分は、単に従来型の発電部分と称される。追加の発電装置部分は、ＣＯ２発電部分と称される。

本発明の主要な態様の１つは、ＣＯ２捕捉システムを運転するのに必要な蒸気および電力を供給することができるＣＯ２発電部分と、従来型の発電部分およびＣＯ２発電部分の煙道ガス流からＣＯ２を除去するように設計されたＣＯ２捕捉システムとを提供することである。従来型の装置は、全体のＣＯ２捕捉システムを駆動するＣＯ２発電部分の能力により、ＣＯ２捕捉システムの要件を無視して最適化され得る。具体的には、蒸気タービンまたは従来型の発電部分の蒸気サイクルの別の部分からの蒸気抽出は不要である。さらに、従来型の発電部分とＣＯ２発電部分の間の機械的インターフェース、電気的インターフェース、および制御インターフェースを最小限に保つことができる。理想的には、機械的インターフェースは、煙道ガス管路に限定される。理論的には、制御インターフェースは、簡単な負荷信号に限定され得る。

ＣＯ２発電部分は、配電網の要件および許可次第で、ＣＯ２捕捉システムの電力要求と一致するように設計するか、または装置全体の送電端出力を増加するために従来型の部分自体のサイズより大きなサイズにすることができる。

ＣＯ２発電部分自体を、蒸気の大部分またはすべてがＣＯ２捕捉システム向けに抽出されるプロセス向けに最適化することができる。

従来型の部分とＣＯ２発電部分を分離することにより、さもなければＣＯ２捕捉を助長するのに必要とされる妥協をすることなく、最適条件下で、ＣＯ２捕捉があろうとなかろうと、従来型の発電部分の独立した運転が可能になる。さらに、全体の装置能力に対するＣＯ２捕捉の影響を最小限にすることができる。動作の許可および配電網の要求次第で、ＣＯ２捕捉機器が運転状態になる場合またはＣＯ２捕捉機器が既存の装置に追加される場合に、配電網に送出され得る電力は変更されるべきでない。

文献から知られているように、ＣＯ２捕捉を伴う発電装置では、一旦ＣＯ２捕捉機器が運転状態になると、発電装置の能力がかなり低減される。ＣＯ２捕捉機器を運転していないときさえ、蒸気サイクルの効率は、起こり得るＣＯ２捕捉の蒸気を抽出する可能性を与えることにより、一般に損なわれる。

従来型の発電部分およびＣＯ２発電部分は、化石燃料の蒸気発電装置またはガスタービン・ベースの発電装置であり得る。ガスタービン・ベースの発電装置は、例えば複合サイクル発電装置、簡単なサイクル・ガスタービン発電装置、もしくは熱併給発電を伴うガスタービンまたはこれらの装置タイプの任意の組合せである。適用可能であれば、ＣＯ２発電部分は、ＣＯ２吸収剤またはＣＯ２吸着剤の再生に必要とされる蒸気を供給するようなサイズにすることができる。その蒸気サイクルは、従来型の部分で妥協することなくＣＯ２吸収剤またはＣＯ２吸着剤を再生するための蒸気を供給するように最適化され得る。ＣＯ２発電部分は、少なくともＣＯ２捕捉機器を運転するのに必要とされる全補助電力を供給するサイズにすることができる。さらに、ＣＯ２発電部分は、ＣＯ２圧縮に必要とされる電力も供給するサイズにすることができる。

ＣＯ２捕捉機器だけでなく、ＣＯ２捕捉システムを有するＣＯ２発電部分も設けることにより、従来型の部分の効率不利点および能力低下といった両方の難点を回避することができる。

本発明のさらなる主要な態様の１つに、煙道ガス流の混合物からＣＯ２を捕捉するよりも先に、従来型の部分の煙道ガスをＣＯ２捕捉部分の煙道ガスと混合する装置を提供するものがある。

煙道ガス流を混合すると、必要なＣＯ２捕捉部分が１つだけになるので有利である。これによって、装置全体の運転が容易になり、初期投資額ならびに装置の運転コストを低減することができる。さらに、２つの煙道ガス流のＣＯ２濃度、ＣＯ２捕捉率および捕捉装置のタイプ次第で、混合煙道ガスからＣＯ２を捕捉するためのエネルギー必要量を、２つの別々の煙道ガス流からＣＯ２を捕捉するためのエネルギー必要量より少なくすることができる。このことは、従来型の発電部分が煙道ガスの第１のＣＯ２濃度を有し、ＣＯ２捕捉部分が第１のＣＯ２濃度とは異なる煙道ガスの第２のＣＯ２濃度を有する場合に特に当てはまる。この混合物は、低い方のＣＯ２濃度より高い質量平均された（ｍａｓｓ ａｖｅｒａｇｅｄ）煙道ガス濃度を有し、システム全体のより優れた捕捉性能をもたらすことができる。

一実施形態では、従来型の発電部分は、化石燃料の蒸気発電装置、すなわち少なくとも１つの蒸気タービンを有する少なくとも１つの化石燃料のボイラを備える発電装置であり、ＣＯ２発電部分は複合サイクル発電装置を備える。

一般に、化石燃料の蒸気発電装置のＣＯ２濃度は約９〜１２％（モル）であり、さらに大きな値に達することができる。ガスタービンのタイプおよび動作条件次第で、ガスタービンの煙道ガスのＣＯ２濃度は約２〜５％（モル）である。低負荷では、ガスタービンの煙道ガスのＣＯ２濃度は、１〜２％（モル）とさらに低くなることがある。これらの低いＣＯ２濃度では、煙道ガスからの効率的なＣＯ２除去は不可能である。

化石燃料の従来型の発電部分からの煙道ガスをガスタービンからの煙道ガスと混合することにより、全体のＣＯ２濃度が、高除去率で効率的なＣＯ２除去を可能にするのに十分高いレベルであり続ける。

煙道ガスのＣＯ２濃度を上昇させるために、ガスタービン煙道ガスの一部分をガスタービンの流入空気の中へ再循環させることが、過去に提案されている。しかし、これには、追加の管路、煙道ガス冷却器および別の機器が必要となり、したがって、装置に必要なスペースがより大きくなり、装置の複雑さが増す。さらに、ガスタービンのタイプおよび用いられる燃料次第で、再循環率は、一般にガスタービンの煙道ガスの約５０％未満に限定され、その結果、煙道ガス再循環を用いても、煙道ガスのＣＯ２濃度は、化石燃料の蒸気発電装置のレベル未満にとどまる。

したがって、従来型の発電部分が化石燃料の蒸気発電装置であって、ＣＯ２発電部分が煙道ガス再循環と組み合わせたサイクル発電装置を備える組合せが提案されている。この実施形態は、付加的な機器、スペース、および再循環によってガスタービンの煙道ガスのＣＯ２濃度を上昇させるための運用上の負担を伴う。また、ガスタービンの煙道ガスが、化石燃料の蒸気発電装置の煙道ガスと混合されて、効率的なＣＯ２除去のための高いＣＯ２濃度をもたらす。

従来型の複合サイクル発電装置からのＣＯ２を捕捉するための別の実施形態では、ＣＯ２発電部分は化石燃料の蒸気装置に基づくものである。化石燃料のＣＯ２捕捉部分の煙道ガスを複合サイクル発電装置の煙道ガスと混合すると、複合サイクル発電装置と比較して煙道ガスのＣＯ２濃度が増加し、より優れたＣＯ２捕捉効率をもたらす。これは、煙道ガスの再循環があろうとなかろうと、複合サイクル発電装置に対して行なうことができる。

さらに、従来型の発電部分およびＣＯ２発電部分は、どちらも複合サイクル発電装置であり得る。この場合、両方の煙道ガス流を混合すると、ＣＯ２捕捉装置を１つだけ使用すればよく、したがって、必要とされる機器の数が減少して装置全体の配置が簡単になる。

別の実施形態では、従来型の複合サイクル発電装置は、再循環を伴う複合サイクル発電装置に基づくＣＯ２捕捉部分と組み合わせることができる。これにより、従来型の部分向けに既存のガスタービン技術を用いて、ＣＯ２捕捉部分側の最新技術と組み合わせることが可能になる。従来型部分の煙道ガスのＣＯ２濃度が、ＣＯ２捕捉部分からの煙道ガスと混合することによって増加し、したがってＣＯ２捕捉が容易になる。

この組合せは、既存の複合サイクル発電装置への後付け用途に特に適している。煙道ガスの再循環は、既存の従来型の複合サイクル発電装置については、運用上の制約または装置の配置における現地特有の制約のために実現不可能なことがある。しかし、追加のＣＯ２捕捉部分の複合サイクルは、再循環用に設計された新規のガスタービンに基づくものであり得て、装置の配置は、ＣＯ２捕捉および再循環に必要なスペースを理解して設計することができる。繰り返しになるが、混合煙道ガスは、再循環のない従来型の複合サイクル発電装置の煙道ガスより高いＣＯ２濃度を有する。

さらに別の実施形態では、従来型の発電部分およびＣＯ２発電部分は、どちらも再循環を伴う複合サイクル発電装置を備える。これは、両方の装置部分に対して使用するＣＯ２捕捉システムが１つだけになるという利点を本質的に与える。

さらに、２つの別々の再循環率を適用することが可能である。一般に、現在既存のガスタービンの再循環率は、煙道ガスの低い割合に限定され、結果として、煙道ガスのＣＯ２濃度は依然としてあまり高くない。一般に、煙道ガスのＣＯ２濃度は、高い再循環率を可能にするための設計修正なしでは、６％未満にとどまることになる。

煙道ガスの再循環用に設計されたガスタービンの再循環率により、煙道ガスのより高い割合での再循環が可能になり、煙道ガスの高いＣＯ２濃度をもたらす。この種のガスタービンは、一般的には、特に後付け用途の場合、ＣＯ２発電部分向けに利用することができる。両方の煙道ガス流を混合することにより、全体の煙道ガス流から効率的にＣＯ２を捕捉することができる平均ＣＯ２濃度になる。

本発明の一実施形態は、ＣＯ２捕捉装置の付加または後付けに対応する、炭素ベースの燃料を燃やす発電装置を対象とする。このタイプの装置は、捕捉対応とも称される。この捕捉対応装置の主要な優れた特徴は、装置の配置が、将来のＣＯ２捕捉システムに必要なスペースを設けるように設計されるばかりでなく、完全なＣＯ２捕捉装置、すなわち、将来のＣＯ２捕捉システムに加えてＣＯ２捕捉システムを駆動するための将来のＣＯ２発電部分向けに設計されることである。さらに、従来型の発電部分の煙道ガス流とＣＯ２発電部分の煙道ガス流を混合する煙道ガス・システム用のスペースが設けられる。

一実施形態では、捕捉対応の従来型装置の排気筒が、既に、従来型の部分およびＣＯ２発電部分を備える最終装置の最大の煙道ガス流向けに設計されている。さらに、この排気筒が配置されるのは、ＣＯ２発電部分を考慮した最終的な位置である。従来型の発電部分と将来のＣＯ２発電部分は、煙道ガス配管を最小限にするために、煙道ガスを放出するように隣同士に配置される。さらに、一旦後付けされた煙道ガス管路には、煙道ガスをＣＯ２捕捉システムへ導くためのフラップ、ダンパまたは分流器が既に備わっていてよい。これによって、ＣＯ２発電部分の建造中に、従来型部分の通常運転が可能になる。ＣＯ２発電部分は、従来型の発電部分の運転とは無関係に作動させることができ、ＣＯ２捕捉システム自体を、ＣＯ２発電部分の煙道ガスを用いて、その能力の一部分まで試験し、かつ作動させることができる。従来型の発電部分からＣＯ２捕捉へと変更するには、フラップ、ダンパまたは分流器がその煙道ガスを放出する方向を変更するだけでよい。ＣＯ２捕捉装置が一旦フル稼働状態になると、従来型発電部分の、ダンパまたは分流器の下流にある元の煙道ガス管路の一部分が、バイパス管路になる。バイパス排気筒としての将来の使用を可能にするために、後付け対応の従来型発電装置の排気筒は、従来型発電部分の煙道ガスと将来のＣＯ２捕捉システムのまわりの将来のＣＯ２発電部分の煙道ガスの混合煙道ガスをバイパスするのに必要とされる流れ容量を有して設計される。

ＣＯ２捕捉システムの追加の圧力損失に配慮するように、煙道ガス・ブロワ用のスペースを設けることができる。これにより、煙道ガスを排気筒へと直接導く配管の初期の背圧に対して従来型の発電部分を最適化することができることになる。一実施形態では、煙道ガス・ブロワは、分流器またはダンパの下流に組み込まれることになり、ＣＯ２捕捉運転にのみ必要とされる。

この単一の機械的インターフェースに加えて、従来型の発電部分、ＣＯ２発電部分とＣＯ２捕捉システムとの間の制御インターフェースが必要である。さらに、共通の電気的システムと配電網を接続するのが有利である。

提案された装置配置の主要な利点の１つに、ＣＯ２捕捉のない既存の化石燃料の従来型発電装置を、大幅に変更することなく、ＣＯ２捕捉を有する発電装置へと改造するかまたは改良する可能性がある。本発明の１つの要素に、ＣＯ２捕捉のない既存の化石燃料の従来型発電装置を、ＣＯ２捕捉を有する発電装置へと改造する方法がある。この方法によれば、ＣＯ２発電部分、煙道ガス配管およびＣＯ２捕捉システムが、既存の従来型発電装置に隣接して構築され、煙道ガス配管は、既存の従来型発電部分の煙道ガスとＣＯ２発電部分の煙道ガスを混合するように設計され、ＣＯ２捕捉システムは、混合煙道ガスからＣＯ２を捕捉するように設計され、ＣＯ２発電部分は、少なくとも混合煙道ガスからＣＯ２を捕捉するのに必要な熱エネルギーおよび／または電気エネルギーを供給するように設計される。

この方法の一実施形態によれば、従来型の発電装置の通常運転中に、ＣＯ２捕捉システム、煙道ガス配管およびＣＯ２発電部分が構築され、既存の化石燃料の従来型発電装置の運転が中断されるのは、既存の化石燃料の従来型発電装置を、追加または変更された煙道ガス配管に接続して再作動させるときのみである。既存の装置の排気筒次第で、全体の煙道ガス流の変化が、新規の排気筒を必要とすることがある。排気筒または排気筒の変更形態は、煙道ガス配管の一部分であると考えられる。

したがって、既存の発電装置の商業運転の中断を最小限にすることができる。煙道ガス管路の再接続または変更に必要な時間は、通常の定期保守の停止に必要とされる時間未満に短縮することができる。ＣＯ２発電部分は、既存の装置の商業運転と並行して作動させることができる。さらに、システムがＣＯ２発電部分からの煙道ガスを用いている間、ＣＯ２捕捉システムの主要な作動作業を実行することができる。

本発明のさらなる課題は、ＣＯ２捕捉システムを有する、炭素ベース燃料を燃焼させるための火力発電所を前述のように運転する方法である。

前述の発電装置により、最適化の目標次第で、ＣＯ２捕捉および別々の運転方法を有する融通性のある運転が可能になる。可能性のある最適化の目標は、例えば最大の電力、最高の効率、および最大のＣＯ２捕捉率である。

具体的には、従来型の発電部分、ＣＯ２発電部分およびＣＯ２捕捉システムを起動し、有負荷にしたり無負荷にしたりする順序を、装置の運転を最適化するための制御パラメータとして用いることができる。

例えば、従来型の発電部分が蒸気発電装置であると、一般に、起動するのに比較的長い時間、すなわち数時間を要する。起動中、煙道ガスの組成および温度は、ＣＯ２捕捉向けに最適化されていない。しかし、この期間中に排出される合計のＣＯ２は、一般的な運転期間中に排出されるＣＯ２と比較してわずかである。したがって、従来型の部分に対して大きい部分の負荷または基底負荷がかかった後にのみＣＯ２捕捉が始まることが、たいてい容認される。ＣＯ２発電部分が、かなり速く起動して負荷をかけることができるガスタービン・ベースの発電装置であると、この装置は、従来型の発電部分を起動して負荷をかけるまでの時間とＣＯ２発電部分を起動して負荷をかけるまでの時間の間の差に一致した時間遅延で起動される。

さらに、ＣＯ２捕捉システムは、ＣＯ２発電部分が同システムの運転に十分な電力を送出した後に、起動して負荷をかけられることになる。

使用されるＣＯ２捕捉システム次第で、ＣＯ２捕捉システムの起動は、例えば電動機で駆動されるスワール・ノズルを使用するＣＯ２分離に関して考えられるように、数分で行なうことができる。しかし、例えば、吸収システムまたは吸着システムといったＣＯ２捕捉システムのタイプに関しては、起動するのに１時間または数時間程度のより長い期間を要することがある。装置全体の起動を通じて、ＣＯ２捕捉システムの起動時間を考慮する必要がある。必要に応じて、ＣＯ２捕捉システムの起動時間を考慮に入れて、ＣＯ２発電部分をより早く起動しなければならない。様々な装置の起動時間次第で、ＣＯ２発電部分は、ＣＯ２捕捉を保証するために、必要に応じて従来型の発電部分よりも先に起動されてよい。

配電網または操作係の要求に従って、発電装置に速やかに負荷をかけることができるように、最初に、目標の総電力出力を満たすように従来型の発電部分およびＣＯ２発電部分に負荷をかけ、次いで、ＣＯ２捕捉システムを運転して、目標の捕捉率に到達するように捕捉率を増加することにより、装置の総電力出力の変化を達成する方法が提案されている。ＣＯ２捕捉システムの立上り中および／またはその捕捉率が増加している間、総電力出力が一定に保たれ、装置の総計の電力出力は、ＣＯ２捕捉システムの増加する電力消費量を満たすようにさらに増加される。

従来型の発電部分とＣＯ２発電部分の間の制御インターフェースを簡単にするために、２つの別々の電力制御方法を用いることができる。

ＣＯ２発電部分の負荷は、例えば、ＣＯ２捕捉システムの電力需要、混合煙道ガスの合計の流量質量、混合煙道ガス流のＣＯ２含有量、もしくはこれらのパラメータの組合せ、または捕捉システムの動作条件を表す別のパラメータのような、ＣＯ２捕捉システムの主要な動作パラメータの関数として制御することができる。

従来型発電部分の負荷制御は、発電装置の総電力出力を制御するのに用いられる。一般に、従来型の発電部分とＣＯ２発電部分は、配電網への１つの共通の接続を有する。この配電網接続を介して配電網に送出される合計の電力は、総電力であり、配電網の電力需要を満たすものとする。この実施形態によれば、従来型の発電部分は、配電網の電力需要と、ＣＯ２発電部分がＣＯ２捕捉システムを駆動する電力に加えて送出するＣＯ２発電部分の何らかの超過の総電力出力との間の電力差を送出するように制御される。

ここで説明された化石燃料の蒸気発電装置は、一般に石炭燃料の蒸気発電装置である。しかし、本発明は、石油燃料の蒸気発電装置またはガス燃料の蒸気発電装置など、任意の他の種類の化石燃料の蒸気発電装置にも適用可能である。

本発明、その性質、ならびにその利点が、添付図面を利用して以下でより詳細に説明されることになる。図面を参照する。

化石燃料の従来型蒸気発電部分、ＣＯ２発電部分としての化石燃料の蒸気発電装置、およびＣＯ２捕捉システムから成る発電装置を示す概略図である。 化石燃料の従来型蒸気発電部分、ＣＯ２発電部分としてのガスタービン複合サイクル装置、およびＣＯ２捕捉システムから成る発電装置を示す概略図である。 化石燃料の従来型発電部分、ＣＯ２発電部分としての煙道ガス再循環を伴うガスタービン複合サイクル装置、およびＣＯ２捕捉システムを示す概略図である。 従来型発電部分としての複合サイクル発電装置、ＣＯ２発電部分としての煙道ガス再循環を伴うガスタービン複合サイクル装置、およびＣＯ２捕捉システムから成る発電装置を示す概略図である。 従来型の発電部分、両方の装置部分が煙道ガス再循環を伴う複合サイクル発電装置であるＣＯ２発電部分、およびＣＯ２捕捉システムから成る発電装置を示す概略図である。 化石燃料の従来型蒸気発電部分、ＣＯ２捕捉運転中に低圧蒸気タービンをクラッチで切り離すことができるＣＯ２発電部分としての煙道ガス再循環を伴うガスタービン複合サイクル装置、およびＣＯ２捕捉システムから成る発電装置を示す概略図である。 煙道ガスの様々なＣＯ２濃度に対してＣＯ２を捕捉するのに利用可能な比エネルギーの関数として達成可能なＣＯ２捕捉率を示す概略図である。

本発明によるＣＯ２捕捉を伴う発電装置の主要な構成要素は、従来型の発電部分１、ＣＯ２発電部分２、およびＣＯ２捕捉システム１２である。

本発明の一実施形態による装置配置の第１の例が、図１に示されている。この例では、従来型の発電部分１は、化石燃料の蒸気発電装置４１である。蒸気発電装置４１は、化石燃料８および空気７が供給されるボイラ３を備える。燃料７および空気８が燃焼して、生蒸気９および従来型の発電部分の煙道ガス１５を生成する。さらに、蒸気発電装置４１は、生蒸気９で駆動される蒸気タービン１０、電力を生成する発電機５、および給水１９がボイラに戻される凝縮器１８を備える。様々な蒸気圧レベル、給水ポンプなどは本発明の対象でないので、蒸気サイクルは、これらなしで概略的に簡易化して示されている。

ここに示された例では、ＣＯ２発電部分２は、化石燃料の背圧蒸気発電装置４２である。背圧蒸気発電装置４２は、燃料８および空気７が供給されるボイラ３を備える。燃料７および空気８が燃焼して、生蒸気９およびＣＯ２発電部分の煙道ガス１４を生成する。さらに、背圧蒸気発電装置４２は、生蒸気９で駆動される背圧蒸気タービン４、および電力を生成する発電機５を備える。背圧蒸気タービン４を出る低圧蒸気１１が、蒸気配管を介してＣＯ２捕捉システム１２に供給される。復水１３が、ＣＯ２捕捉システム１２からボイラ３に戻される。様々な蒸気圧レベル、給水ポンプなどは本発明の対象でないので、この蒸気サイクルも、これらなしで概略的に簡易化して示されている。

混合煙道ガス３７からＣＯ２を除去するＣＯ２捕捉システム１２は、ボックスとして概略的に示されており、混合煙道ガス３７は、従来型発電部分の煙道ガス１５およびＣＯ２発電部分の煙道ガス１４から成る。ＣＯ２を減らされた煙道ガス１６は、ＣＯ２捕捉ユニットから排気筒１６へと放出される。ＣＯ２捕捉ユニット１２は、運転していない場合には煙道ガス・バイパスによってバイパスされ得る。このバイパスを制御するために、従来型発電部分２０の煙道ガス用のバイパス・フラップおよびＣＯ２発電部分２１用のバイパス・フラップが、煙道ガス配管に設けられる。

ＣＯ２捕捉システム１２は、例えば吸収剤によって混合煙道ガス３７からＣＯ２が除去されるＣＯ２吸収ユニット、および吸収剤からＣＯ２が放出される再生ユニットから成る。煙道ガスの温度およびＣＯ２吸収ユニットの動作温度範囲次第で、煙道ガス冷却器６も必要とされることがある。捕捉されたＣＯ２は、圧縮および貯蔵のための１７へ送られる。

図２は、化石燃料の従来型蒸気発電装置４１、複合サイクル発電装置３０、およびＣＯ２捕捉システム１２から成る発電装置を概略的に示す。蒸気発電装置４１およびＣＯ２捕捉システム１２は、図１に示されたものと類似である。

複合サイクル発電装置３０は、ガスタービンと、水蒸気サイクルを伴う熱回収蒸気発電機３９とを備える。ガスタービンは、流入空気７を圧縮するコンプレッサ３１、燃焼器３２、およびタービン３３を備え、発電機５を駆動する。圧縮ガスは、燃焼器３２の中で燃料８を燃焼するのに用いられ、加圧された熱ガスは、タービン３３の中で膨張する。熱ガスの主な出力は、発電機５からの電力および熱い煙道ガス３４である。熱い煙道ガス３４は、生蒸気９を生成する熱回収蒸気発電機３９（ＨＲＳＧ）を通る。煙道ガスは、低温レベルでＨＲＳＧ ３９を出て、ＣＯ２発電部分１４の煙道ガスとしてＣＯ２捕捉システム１２に向けられる。さらに、複合サイクル発電装置３０は、生蒸気９で駆動される背圧蒸気タービン４、および電力を生成する発電機５を備える。低圧蒸気１１が、蒸気配管を介してＣＯ２捕捉システム１２に供給される。復水１３または低級の蒸気が、ＣＯ２捕捉システム１２からボイラ３に戻される。様々な蒸気圧レベル、給水ポンプなどは本発明の対象でないので、この蒸気サイクルも、これらなしで概略的に簡易化して示されている。

図３は、化石燃料の従来型蒸気発電装置４１、複合サイクル発電装置４０、およびＣＯ２捕捉システム１２から成る発電装置の別の例を概略的に示す。主要な部分は、図２に示されたものと類似である。しかし、ここに示されたガスタービンは、煙道ガス再循環を伴うガスタービンである。煙道ガスの制御可能な留分は、煙道ガス再循環２２用の制御フラップに分流され、煙道ガス循環系統３５を通って流入空気７に再循環される。再循環された煙道ガスは、ガスタービン圧縮機３１の入口温度を制限するかまたは制御するように、煙道ガス冷却器３６で冷却される。煙道ガス冷却器３６は、一般に、冷却された煙道ガスから復水を除去する復水分離器（図示せず）を備える。

図４は、従来型発電部分１としての複合サイクル発電装置３０、ＣＯ２発電部分２としての煙道ガス再循環を伴うガスタービン複合サイクル装置４０、およびＣＯ２捕捉システム１２から成る発電装置を示す概略図である。この機構は、図３に示された機構に基づくものである。従来型の発電部分１として、蒸気発電装置４１の代わりに複合サイクル発電装置３０が使用されている。

複合サイクル発電装置３０は、ガスタービン、水蒸気サイクルを伴う熱回収蒸気発電機３９を備える。ガスタービンは、流入空気７を圧縮するコンプレッサ３１、燃焼器３２、およびタービン３３を備え、発電機５を駆動する。圧縮ガスは、燃焼器３２の中で燃料８を燃焼するのに用いられ、加圧された熱ガスは、タービン３３の中で膨張する。熱ガスの主な出力は、発電機５からの電力および熱い煙道ガス３４である。熱い煙道ガス３４は、生蒸気９を生成する熱回収蒸気発電機３９を通る。煙道ガスは、低温レベルでＨＲＳＧ ３９を出て、従来型の発電部分１５の煙道ガスとしてＣＯ２捕捉システム１２に向けられる。さらに、複合サイクル発電装置３０は、生蒸気９で駆動される蒸気タービン１０、電力を生成する発電機５、および給水１９がＨＲＳＧ ３９に戻される凝縮器１８を備える。

図５は、煙道ガス再循環を伴う２つの複合サイクル発電装置４０およびＣＯ２捕捉システム１２から成る発電装置の別の例を概略的に示す。主要な部分は、図４に示されたものと類似である。しかし、従来型の発電部分１のガスタービンは、煙道ガス再循環を伴うガスタービンでもある。煙道ガスの制御可能な留分は、煙道ガス再循環用の制御フラップ２２に分流され、煙道ガス循環系統３５を通って流入空気７に再循環される。再循環された煙道ガスは、ガスタービン圧縮機３１の入口温度を制限するかまたは制御するために、煙道ガス冷却器３６で冷却される。煙道ガス冷却器３６は、一般に、冷却された煙道ガスから復水を除去する復水分離器（図示せず）を備える。

図６は、図３に基づくものであり、化石燃料の従来型蒸気発電装置４１、煙道ガス再循環を伴う複合サイクル発電装置４０、およびＣＯ２捕捉システム１２から成る発電装置を概略的に示す。蒸気発電装置４１およびＣＯ２捕捉システム１２は、図３に示されたものと類似である。

ＣＯ２発電部分２の運用上の融通性を向上するために、図３に示された実施形態と比較して水蒸気サイクルが変更されている。この実施形態では、追加の蒸気制御弁３８、低圧蒸気タービン２４、凝縮器１８、および給水ライン１９が、水蒸気サイクルに追加されている。この機構により、ＣＯ２捕捉システム１２を運転するのに、低圧蒸気１１がまったく必要とされない場合、またはすべての低圧蒸気１１が必要とされるわけではない場合に、低圧蒸気１１を用いてさらなる電力を生成することができる。ＣＯ２捕捉システム１２に向けられる低圧蒸気１１と低圧蒸気タービン２４の間の分割が、蒸気制御弁３８によって制御される。蒸気制御弁３８は、三方弁として概略的に示されている。あるいは、例えば２つの制御弁などの別の制御手段も使用することができる。

蒸気タービン２４は、クラッチ２３によって発電機５に機械的に接続することができる。例えば、自動オーバーランニング・クラッチは、発電機５および背圧蒸気タービン４の既存の軸系に低圧蒸気タービン２４を結合するのに使用することができる。この機構により、ＣＯ２捕捉システム１２に低圧蒸気が用いられる場合に、低圧蒸気タービン２４を遮断することができる。一旦、超過低圧蒸気が利用可能になると、超過蒸気は、蒸気制御弁２３経由で低圧蒸気タービン２４へ向けられる。低圧蒸気タービン２４の回転が上昇し、クラッチ２３が自動的に係合し、発電機５を駆動するまで低圧蒸気タービン２４に負荷をかけることができ、したがって装置の電力生成が増加する。

図７は、煙道ガスの様々なＣＯ２濃度ｃ_１、ｃ_２およびｃ_３に対してＣＯ２を捕捉するのに利用可能な比エネルギーｅ_ＣＯ２の関数として達成可能なＣＯ２捕捉率ｒ_ｃを概略的に示す。この図は、ＣＯ２捕捉よりも先に２つの煙道ガス流を混合することが有利であり得る理由を視覚化している。

ＣＯ２濃度の増加ｃ↑に伴って、所与の比エネルギーｅ_ＣＯ２で煙道ガスからのＣＯ２捕捉を達成することができる捕捉率ｒ_ｃが増加する。さらに、達成可能な捕捉率ｒ_ｃは、煙道ガスからＣＯ２を捕捉するのに利用可能な比エネルギーｅ_ＣＯ２に比例する。達成可能な捕捉率ｒ_ｃは、すべての濃度ｃ_１、ｃ_２およびｃ_３に対してＣＯ２を捕捉するのに利用可能な比エネルギーｅ_ＣＯ２の関数としての特性傾向を示す。最初に、すべての曲線がステップ勾配を示し、勾配はより小さくなり、漸近的に１００％の捕捉率ｒ_ｃに近づく。しかし、勾配が変化する捕捉率ｒ_ｃは、煙道ガスのＣＯ２濃度次第である。

低いＣＯ２濃度ｃ_１の場合、勾配の顕著な変化が、比較的小さい捕捉率ｒ_ｃで既に起こっている。より高いＣＯ２濃度ｃ_２またはｃ_３の場合、好ましいステップ勾配が、９０％程度以上の大きな捕捉率ｒ_ｃまで存続する。勾配の変化が起こる捕捉率が別々であるため、９０％程度の大きな捕捉率に到達する比エネルギーｅ_ＣＯ２は、例えば濃度ｃ_１といった煙道ガスの低いＣＯ２濃度では、ほぼ指数関数的に増加する。その結果、平均ＣＯ２濃度ｃ_２の混合煙道ガス３７を得るために、低いＣＯ２濃度ｃ_１の第１の煙道ガス流と高いＣＯ２濃度ｃ_３の第２の煙道ガス流とを混合すると、２つの別々の煙道ガス流からＣＯ２を捕捉する場合より、例えば８３％といった特定の目標捕捉率ｒ_ｃ，ｔに到達するのに必要とされるエネルギーが少ない。

上記および図面で説明された例示的実施形態は、本発明の範囲に包含されていて例示的実施形態とは異なる実施形態を当業者に開示する。

例えば、低圧蒸気タービン２４は、電力生成用の別々の発電機を駆動するために別々の軸上に配置することができ、あるいは、複合サイクル発電装置のうちの任意の蒸気タービンとガスタービンを、単一の軸に配置することができる。

別の例として、ＣＯ２発電部分の煙道ガス１４と従来型の発電部分の煙道ガス１５を、バイパス・フラップ２０、２１の上流で混合することができ、その結果、全部の煙道ガスに対して必要とされるバイパス・フラップが１つだけになる。さらに、従来型発電部分の煙道ガス１５用とＣＯ２発電部分の煙道ガス１４用の２つの煙道ガス冷却器６の配置が有利になり得る。これは、例えば、従来型発電部分の煙道ガス１５とＣＯ２発電部分の煙道ガス１４の温度が異なる場合に相当することになる。

上記に示された例では、単一の燃焼ガスタービンが説明されている。例えば特許文献４に説明されているような、再加熱燃焼器を有するガスタービンとも称される順次燃焼ガスタービンも、同様に使用され得ることを理解されたい。順次燃焼ガスタービンと単一燃焼ガスタービンの組合せに基づく発電装置も使用することができる。一般に、順次燃焼ガスタービンの煙道ガスのＣＯ２濃度は単一燃焼ガスタービンのものより高いので、順次燃焼ガスタービンを適用するのが有利であり得る。さらに、上記の例のうちいかなるものも、ガスタービンで、煙道ガス再循環があろうとなかろうと実現することができる。

１ 従来型の発電部分
２ ＣＯ２発電部分
３ ボイラ
４ 背圧蒸気タービン
５ 発電機
６ 煙道ガス冷却器
７ 空気
８ 燃料
９ 生蒸気
１０ 蒸気タービン
１１ 低圧蒸気
１２ ＣＯ２捕捉システム
１３ 復水または低等級帰路蒸気
１４ ＣＯ２発電部分の煙道ガス
１５ 従来型発電部分の煙道ガス
１６ ＣＯ２の減った煙道ガス
１７ 圧縮および貯蔵用のＣＯ２
１８ 凝縮器
１９ 給水
２０ 従来型発電部分の煙道ガス用バイパス・フラップ
２１ ＣＯ２発電部分の煙道ガス用バイパス・フラップ
２２ 煙道ガス再循環用の制御フラップ
２３ クラッチ
２４ 低圧蒸気タービン
３０ 複合サイクル発電装置
３１ コンプレッサ
３２ 燃焼器
３３ タービン
３４ ガスタービンの煙道ガス
３５ 煙道ガスの循環系統
３６ 煙道ガス冷却器
３７ 混合煙道ガス
３８ 蒸気制御弁
３９ ＨＲＳＧ
４０ 煙道ガスの再循環ガスタービンを有する複合サイクル発電装置
４１ 蒸気発電装置
４２ 背圧蒸気発電装置
４３ 従来型部分からのバイパス管路
４４ ＣＯ２発電部分からのバイパス管路
ｃ↑ 濃度の増加
ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３ 煙道ガスのＣＯ２濃度
ｒ_ｃ 捕捉率
ｒ_ｃ，ｔ 目標捕捉率
ｅ_ＣＯ２ ＣＯ２を捕捉するのに必要な比エネルギー

Claims (17)

1. 従来型発電部分（１）と、ＣＯ２発電部分（２）と、前記従来型発電部分（１）の煙道ガス流と前記ＣＯ２発電部分（２）の煙道ガス流を混合する煙道ガス・システムと、混合煙道ガス（３７）からＣＯ２を除去するためのＣＯ２捕捉システム（１２）とを備える発電装置であって、前記従来型発電部分（１）が、化石燃料の蒸気発電装置またはガスタービン・ベースの発電装置であり、前記ＣＯ２発電部分（２）が、前記混合煙道ガス（３７）の質量流量からＣＯ２を捕捉するのに必要な熱および／または電力を少なくとも供給するように設計されている化石燃料の蒸気発電装置またはガスタービン・ベースの発電装置である発電装置。
2. 前記従来型発電部分（１）の前記煙道ガスが第１のＣＯ２濃度を有し、前記ＣＯ２発電部分（２）の前記煙道ガスが、前記第１のＣＯ２濃度とは異なる第２のＣＯ２濃度を有することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記従来型発電部分（１）が化石燃料の蒸気発電装置であって前記ＣＯ２発電部分（２）がガスタービン・ベースの発電装置であるか、または前記従来型発電部分（１）がガスタービン・ベースの発電装置であって前記ＣＯ２発電部分（２）が化石燃料の蒸気発電装置であることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
4. 煙道ガスの再循環を有するガスタービン・ベースの発電装置を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の発電装置。
5. 前記従来型発電部分（１）および前記ＣＯ２発電部分（２）がガスタービン・ベースの発電装置であり、前記ＣＯ２発電部分（２）のガスタービンが煙道ガスの再循環を有し、前記従来型発電部分（１）が、煙道ガスの再循環を有しない、又は、前記ＣＯ２発電部分（２）の設計再循環率より低い設計再循環率を有することを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
6. 前記ＣＯ２発電部分（２）が、前記ＣＯ２捕捉システム（１２）に低圧または中間圧の蒸気を供給するための少なくとも１つの背圧蒸気タービン（４）を有する複合サイクル発電装置であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の発電装置。
7. 前記背圧蒸気タービン（４）が、前記ＣＯ２捕捉システム（１２）の前記設計蒸気流を送出するようにサイズ設定されることを特徴とする請求項６に記載の発電装置。
8. 従来型発電部分（１）と、ＣＯ２捕捉装置を付加するのに必要なスペースと、ＣＯ２発電部分（２）と、前記従来型発電部分（１）の煙道ガス流と前記ＣＯ２発電部分（２）の煙道ガス流を混合する煙道ガス・システムと、混合煙道ガス（３７）の質量流量からＣＯ２を除去するように設計されたＣＯ２捕捉システム（１２）とを備える捕捉対応発電装置であって、前記従来型発電部分（１）が、化石燃料の蒸気発電装置またはガスタービン・ベースの発電装置であり、前記ＣＯ２発電部分（２）が、前記混合煙道ガス（３７）の質量流量からＣＯ２を捕捉するのに必要な熱および／または電力を少なくとも供給するように設計されている化石燃料の蒸気発電装置またはガスタービン・ベースの発電装置である捕捉対応発電装置。
9. 前記従来型発電部分（１）および将来のＣＯ２捕捉発電部分（２）の煙道ガスが、それらの煙道ガスを放出するために隣同士に配置され、かつ、必要とされる煙道ガス配管を最小限にするために、前記煙道ガスを混合するのに必要なスペースおよび前記ＣＯ２捕捉システム（１２）に必要なスペースが続くようにレイアウトが設計されることを特徴とする請求項８に記載の捕捉対応発電装置。
10. 前記レイアウトが、前記ＣＯ２発電部分（２）から前記ＣＯ２捕捉システム（１２）への電力および蒸気の供給ライン用のスペースを設けるように設計されることを特徴とする請求項８または９に記載の捕捉対応発電装置。
11. 前記煙道ガス配管が、前記ＣＯ２発電部分（２）の将来の接続のための混合区間と、将来のＣＯ２捕捉システム（１２）への接続用に準備された１つの閉じた分岐を有する煙道ガスのフラップまたはダンパと、排気筒に通じる１つの分岐とを備え、前記排気筒が、前記従来型発電部分（１）および前記将来のＣＯ２捕捉システム（１２）のまわりの前記将来のＣＯ２発電部分（２）の前記混合煙道ガス（３７）をバイパスするのに必要とされる流れ容量を有して設計されることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一つに記載の捕捉対応発電装置。
12. ＣＯ２捕捉のない既存の化石燃料の従来型発電装置を、ＣＯ２捕捉を有する発電装置へと改造する方法であって、ＣＯ２発電部分、煙道ガス配管、およびＣＯ２捕捉システム（１２）が、前記既存の従来型発電部分に隣接して構築され、前記ＣＯ２捕捉システム（１２）が、前記従来型発電部分および前記ＣＯ２発電部分からの混合煙道ガス（３７）からＣＯ２を捕捉するように設計され、前記ＣＯ２発電部分が、少なくとも前記混合煙道ガス（３７）の質量流量からＣＯ２を捕捉するのに必要な電気エネルギーおよび／または熱エネルギーを供給するように設計されることを特徴とする方法。
13. 前記従来型発電部分の運転中に、前記ＣＯ２捕捉システム（１２）、前記煙道ガス配管、および前記ＣＯ２発電部分（２）が構築され、前記既存の化石燃料の従来型発電部分の運転は、前記既存の化石燃料の従来型発電部分を、追加または変更された煙道ガス配管に接続して再作動させるときのみ中断されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 請求項１から７のいずれか一つに記載の発電装置を運転する方法であって、前記従来型発電部分（１）、前記ＣＯ２発電部分（２）、およびＣＯ２捕捉システム（１２）を起動し、有負荷にしたり無負荷にしたりする順序を、前記装置全体の運転を最適化するための制御パラメータとして用いることを特徴とする方法。
15. 起動中および有負荷期間中のＣＯ２排出を最小限にするために、最初に前記ＣＯ２発電部分（１）が起動され、２番目に前記ＣＯ２捕捉システム（１２）が起動され、３番目に前記従来型発電部分（１）が起動されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 起動中および有負荷期間中、前記装置の総電力出力が、最初に前記従来型発電部分（１）およびＣＯ２発電部分（２）に負荷をかけることによって達成され、目標の総電力出力が達成された後に、前記ＣＯ２捕捉システム（１２）が、起動され、かつ／または目標捕捉率に到達するためにそのＣＯ２捕捉率が増加し、前記ＣＯ２捕捉システム（１２）の、立上り中および／または捕捉率の増加中に、前記装置の総計の電力出力がさらに増加されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 定常状態の運転をするために、前記ＣＯ２発電部分（２）の負荷が、、前記全体の混合煙道ガス（３７）質量流量の関数として、前記混合煙道ガス（３７）流のＣＯ２含有量の関数として、前記ＣＯ２捕捉システム（１２）の電力需要またはこれらのパラメータの組合せの関数として制御され、前記従来型発電部分（１）の負荷設定が、前記発電装置の前記総電力出力を制御するのに用いられることを特徴とする請求項１４から１６のいずれか一つに記載の方法。

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