JP5473934B2 - 水素を多く含む第二の燃料を用いてガスタービン設備を動作させる装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー発生分野に関する。本発明は、請求項１の上位概念に基づくガスタービン設備の動作方法及びその方法を実施するための装置に関する。

エネルギー発生設備で化石燃料を燃焼させた場合の環境問題に関して、ＣＯ２排出問題が益々重要性になってきている。

従来から、所謂「ポリジェネレーション」システム又は設備（例えば、特許文献１参照）が知られており、その場合、例えば、石炭などの炭素を含む装入原料から、ガス化及び改質によって合成ガス、ガス状窒素及び液体酸素を生成している。合成ガスは、燃焼させるために複合サイクル発電施設の一部であるガスタービン設備の燃焼室に供給され、水／水蒸気循環サイクル内で、ガスタービンからの高温の排ガスを用いて、蒸気タービンを動作させるための蒸気を発生させている。これら二つのタービンが電気エネルギーを発生する一方、発生した蒸気の一部は改質のために使用されている。更に、複合サイクル発電施設から、プロセス用又は暖房用の熱エネルギーを取り出すことができる。しかし、発生した電気エネルギーは、施設自体の中で使用することも、外部の消費者に提供することもできる。高純度（９９．９％）とすることができる、発生した水素は、例えば、化学肥料の製造などの化学プロセスに使用することができる。

そのような施設においてガスタービン用燃料が高い比率で水素を含む（ガス化の際に発生するＣＯ２が分離されている）場合、ガスタービンの排ガスに伴うＣＯ２の排出量は、少なくなる（ＣＯ２の約９０％の削減に相当する）。しかし、そのような「ＣＯ２を発生しない」発電施設は、（逐次燃焼式又は非逐次燃焼式）ガスタービン中で水素比率の高い燃料を安全に、かつ大幅に希釈することなく燃焼させることができる場合にのみ使用可能である。しかし、ＣＯ２の約９０％の削減を達成するためには、現在利用できない新規のバーナー技術の開発に成功することが必要である。

更に、逐次燃焼式ガスタービン設備が従来から知られている（例えば、非特許文献１又は２参照）。そのようなガスタービン設備については、既に排ガスのリサイクルに基づくＣＯ２排出量の削減提案（例えば、特許文献２参照）がなされている。しかし、そのような逐次燃焼式ガスタービン設備は、既に石炭ガス化と一体化された複合サイクル発電施設の一部としても使用されており（例えば、特許文献３参照）、その場合、ガス化の際に発生する合成ガスは、第一燃焼室内でも、第二燃焼室内でも燃料として使用されている。

公知の逐次燃焼式ガスタービン設備（特許文献４参照）の場合、所謂ＥＶバーナー（特許文献５及びそれ以来行われている開発参照）が使用されている。第二燃焼室には、それに応じた所謂ＳＥＶバーナーが組み込まれている（上記の特許文献参照）。過去において、第一燃焼室用に、特に高性能なバーナータイプ（所謂ＡＥＶバーナー又は改良型ＥＶバーナー）が開発されており（非特許文献３、特許文献６又は７、並びにそれらから導き出されたその他の開発参照）、それらは、事前混合器内でも、それに後続する混合パイプ内でも、ガス状の燃料を噴射する事前混合バーナーとして構成されている。

最後に、特許文献８により、ＣＯ２分離式ガスタービン設備が知られており、それは、それぞれ圧縮機、燃焼室及びタービンを備えた二つの独立したガスタービンシステムを有する。その場合、第一の圧縮機で圧縮された空気の一部は、燃焼空気として第二の燃焼室に供給される一方、第二のタービンの排ガスは、第二の圧縮機に戻されて、そこで一緒に圧縮される。次に、圧縮されたガスからＣＯ２が分離される。二つのガスタービンシステムは、それぞれ廃熱蒸気ボイラーを通して複合サイクル発電施設に対する水／水蒸気循環サイクルと接続されている。第一の燃焼室では、純粋な水素を燃焼させ、第二の燃焼室では、燃料として、例えば、天然ガスを使用することができる。水素は、外部から供給するか、或いは内部の改質によって発生させることができる。（第一の）燃焼室を純粋な水素で動作させる（水素発生時に生ずるＣＯ２を分離する場合）ことによって、ＣＯ２排出量も著しく削減されている。しかし、その場合には、第一のガスタービンシステムを純粋な水素で動作するように設計しなければならず、それを既存の設備又は開発済みの設備の場合に適用できないということが欠点である。

上記の引用した全ての文献は、本明細書に統合してその一部を構成するものとする。

米国特許第４，９３６，８６９号明細書 米国特許公開第２００６／０２７２３３１号明細書 国際特許公開第２００７／０１７４８６号明細書 欧州特許公開第０６２０３６２号明細書 欧州特許公開第０３２１８０９号明細書 国際特許公開第２００６／０６９８６１号明細書 欧州特許公開第０７０４６５７号明細書 欧州特許公開第１７４１８９９号明細書

Ｄ．Ｋ． Ｍｕｋｈｅｒｊｅｅ， "Ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｔｈｅ−ａｒｔ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅｓ − ａ ｂｒｉｅｆ ｕｐｄａｔｅ"， ＡＢＢ Ｒｅｖｉｅｗ ２／１９９７， ｐ．４−１４ Ｆ． Ｊｏｏｓ ｅｔ ａｌ．， "Ｆｉｅｌｄ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ＧＴ２４／ＧＴ２６ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｆａｍｉｌｙ"， ＡＢＢ Ｒｅｖｉｅｗ ５／１９９８， ｐ．１２−２０ Ｂ． Ｎｉｌｓｓｏｎ， "ＧＴＸ１００ − ａ ｎｅｗ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ" ＡＢＢ Ｒｅｖｉｅｗ ６／１９９７， ｐ．４−１２， Ａｂｂ． ３

本発明の課題は、新たな構造を追加することなく、一方で高い効率を保証し、他方で約３０〜７０％のオーダーでＣＯ２の部分的削減を可能にするガスタービン設備及びその動作方法を提供することである。

この課題は、請求項１及び７の特徴全体によって解決される。本発明では、燃料として、特に、天然ガスの形の炭素ベースの第一の燃料と水素を多く含む燃料又は純粋な水素の形の第二の燃料の両方が使用され、その場合に、第一及び第二の燃料を互に混合して、少なくとも一つの燃焼室内で一緒に燃焼させることが重要である。水素又は水素を多く含む燃料を天然ガス又はそれと同等の物で「希釈」することによって、さもなければ、Ｎ２又は蒸気で希釈した場合に発生するような著しい効率の低下を生じさせることもなく、設備又はバーナーの大規模な変更を行う必要もなく、ガスタービン設備の安全な動作が可能となる。その場合、ＣＯ２の削減量は、希釈媒体（例えば、天然ガス）に対する水素又は水素を多く含む燃料の比率によって決まる。

本発明の実施形態は、ガスタービン設備が少なくとも二つの連続する燃焼室内で逐次燃焼させる設備として構成され、それらの燃焼室の後には、それぞれタービンが接続されていることと、各燃焼室内で第一及び第二の燃料の混合物を燃焼させることとを特徴とする。

一つ又は複数の燃焼室が事前混合バーナーを備えている場合、流れの方向に対して、先ずは第一の燃料を噴射し、更に下流で第二の燃料を噴射するのが有利である。

事前混合バーナーが、特に、事前混合器とそれに後続する混合パイプを有する場合、第一の燃料が事前混合器内に噴射され、第二の燃料が混合パイプ内に噴射される。

本発明による方法の別の実施形態は、ガスタービン設備が複合サイクル発電施設ユニットの一部であることと、ガスタービン設備の高温の排ガスが水蒸気を発生させるために使用されることと、発生した水蒸気が第二の燃料を発生させるために使用されることとを特徴とする。

本発明による装置の実施形態は、ガスタービン設備が少なくとも二つの連続する燃焼室内で逐次燃焼させる設備として構成されており、それらの燃焼室の後には、それぞれタービンが接続されていることと、各燃焼室には、第一及び第二の燃料用の別個の燃料供給部が配備されていることとを特徴とする。

特に、一つ又は複数の燃焼室は、事前混合バーナーを備えており、事前混合バーナーでは、第一の燃料用の燃料供給部が、それぞれ第二の燃料用の燃料供給部の上流に配置されている。

有利には、事前混合バーナーが、それぞれ事前混合器とそれに後続する混合パイプとを有し、第一の燃料用の燃料供給部が事前混合器に合流し、第二の燃料用の燃料供給部が混合パイプに合流する。

別の実施形態は、ガスタービン設備が廃熱蒸気ボイラー、蒸気タービン、凝縮器、給水タンク及び給水ポンプから成る別個の水／水蒸気循環サイクルを有する複合サイクル発電施設ユニットの一部であることと、ガスタービン設備の排ガスが廃熱蒸気ボイラーを貫流することとを特徴とする。

特に、炭素を含む装入原料から合成ガスを発生させるための第一の手段が更に配備されており、この手段は、水／水蒸気循環サイクル及び第二の燃料用の燃料供給部と接続されている。

合成ガスを発生させるための第一の手段は、有利には、空気分離ユニットガス化ユニット、冷却及び加水分解ユニット、ＭＤＥＡ洗浄ユニット及び金属カルボニル除去ユニットを有し、これらのユニットが、流れの方向に対して順番に接続されている。それに加えて、第一の手段に後続するとともに、特に、膜分離ユニットとＰＳＡ精製ユニットを備えた、純粋な水素を発生させるための第二の手段を配備することができる。

以下において、図面と関連して、実施例に基づき本発明を詳しく説明する。

本発明の実施例によるガスタービン設備内で逐次燃焼させ、二つの燃料を混合する複合サイクル発電施設の非常に簡略化した設備構成図 特許文献６又は７に例示されている、有利には、図１の設備に組み込まれるＡＥＶバーナーの簡略図 本発明を実現するのに適した「ポリジェネレーション」設備の非常に簡略化した設備構成図

図１には、本発明の実施例によるガスタービン設備内で逐次燃焼させ、二つの燃料を混合する複合サイクル発電施設の非常に簡略化した設備構成図が図示されている。複合サイクル発電施設ユニット１０は、ガスタービン設備１１〜２０及びそれらと接続された水／水蒸気循環サイクル２３とを有する。ガスタービン設備は、逐次燃焼器を備えている。それは、圧縮機１２、それに後続する第一の燃焼室、第一のタービン１６、それに後続する第二の燃焼室１７及び第二のタービン２０とを有する。圧縮機１２が、空気取入口１１を通して空気を吸入して、圧縮する。圧縮された空気は、燃焼空気として第一の燃焼室１３に導入され、その一部は、そこで二つの分離された燃料供給部１４及び１５を通して供給される燃料混合物を燃焼させるために使用される。第一の燃料供給部１４は、炭素ベースの燃料、特に、天然ガスを示す。（図１で破線で表示されている）第二の燃料供給部１５は、水素を多く含む燃料又は純粋な水素と関連する。

第一の燃焼室１３内での燃焼で発生した高温のガスは、第一のタービン１６内で動力を発生させつつ減圧され、次に、第二の燃焼室１７に導入され、そこで空気の残る部分が、この例では、同様に燃料混合物から構成される燃料を燃焼させるために使用され、この燃料混合物は、同様に二つの分離された燃料供給部１８及び１９を通して供給されるとともに、同様に炭素ベースの燃料、特に、天然ガスと水素を多く含む燃料又は純粋な水素とを含んでいる。

第二の燃焼室１７の高温のガスは、第二のタービン２０内で動力を発生させつつ減圧され、次に、水／水蒸気循環サイクル２３の一部である後続の廃熱蒸気ボイラー２１に達する。廃熱蒸気ボイラー２１内では、給水ポンプ２７によって給水タンク２６から送られて来た給水が過熱蒸気に変換され、その過熱蒸気は、１段式又は多段式の蒸気タービン２４を駆動し、次に、凝縮器２５で凝縮されて、凝縮水として給水タンク２６に還流する。

第一の燃焼室１３内では、有利には、冒頭に言及した特許文献に記載されている通りの、所謂ＥＶバーナー（例えば、特許文献５参照）及び／又はＡＥＶバーナー（例えば、特許文献７参照）の形の事前混合バーナーが使用される。それに対応して、第二の燃焼室１７内では、所謂ＳＥＶバーナー（例えば、特許文献４参照）が使用される。特許文献６に例示されている通りのＡＥＶタイプの事前混合バーナーは、図２に非常に簡略化して図示されている。図２の事前混合バーナー２８は、流れの方向に対して順番に配置された、二重円錐形の事前混合器２９と、それに続く混合パイプ３０とを有する。事前混合器２９内では、外部から空気が円錐形のシェルの間に流入し、その空気には、円錐形ジャケットに対して垂直な複数のノズル開口部を通して第一の燃料（天然ガス）が噴射される。次に、燃料／空気混合物の渦流は、ほぼ円筒形の混合パイプ３０に流入し、そこで、パイプ壁面の流路を通して、第二の燃料（純粋なＨ２又はＨ２を多く含む燃料）が噴射されて、事前混合器２９からの燃料／空気混合物と混合される。次に、生成されたガス混合物は、混合パイプ３０から流出して、それに続く燃焼室内で燃焼される。それと同様の混合を第二の燃焼室１７のＳＥＶバーナー内でも実現することができる。

基本的に、燃焼に使用される水素は、外部から設備に供給することができる。しかし、図１の複合サイクル発電施設ユニット１０が、図３に例示されている通り、ポリジェネレーション式の全体設備の一部であるのが、特に有利である。図３の全体設備では、ガス化ユニット３２内で、供給される装入原料６２（例えば、ビスブレーキング設備からのタール）からガスを取得し、そのガスは、冷却及び加水分解ユニット３５での冷却及びＣＯＳ加水分解、ＭＤＥＡ洗浄ユニットでの酸性ガス（ＣＯ２）の分離、並びに金属カルボニル除去ユニット３９での金属カルボニルの分離後に、水素を多く含む合成ガス４８が、複合サイクル発電施設ユニット１０に第二の燃料として供給される一方、天然ガス５０が、第一の燃料として供給される。

複合サイクル発電施設ユニット１０は、一方では電気エネルギー４７を、他方では蒸気４９を外部に出力し、その蒸気は、空気分離ユニット３１に水蒸気５３として供給され、ガス化ユニット３２に高圧蒸気６０として供給される。空気分離ユニット（Ａｉｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ：ＡＳＵ）３１内において、空気５８は、窒素５９と酸素５４に分離される。酸素５４は、ガス化ユニット３２内で装入原料６２をガス化するために使用される。更に、給水６１と、ガス化ユニット３２の汚水５６から回収されて、水濾過ユニット３３から戻されて来た水５５とが供給される。水濾過ユニット３３からは、濾過ケーク５７が灰分濾過ユニット３４に送られ、そこでは、金属製灰分６４と排ガス６５が取り出される。

更に、水濾過ユニット３３からは、水が汚水除去ユニット３６に送られ、そのユニットは、酸性ガス５１を除去して、硫黄処理ユニット３７に送り、そこの出口では、硫黄４２が出力される。硫黄処理ユニット３７は、更にＭＤＥＡ洗浄ユニット３８から酸性ガスを受け入れる。ＭＤＥＡ洗浄ユニット３８は、二酸化炭素４３を外部に出力し、それを捕集することができる。汚水除去ユニット３６は、排水６３を外部に出力する。

金属カルボニル除去ユニット３９でガスから除去された金属カルボニルは、使用済みの炭素５２として灰分濾過ユニット３４に出力される。最後に、水素が、膜分離ユニット４１で合成ガス４８の一部から抜き取られて、未処理の水素４６としてＰＳＡ精製ユニット４０に供給され、そこで純粋な水素４４に精製される。膜分離（４１）及びＰＳＡ精製（４０）時に発生する残留ガス４５は、複合サイクル発電施設ユニット１０内で消費される。

図３の例では、専ら発生した合成ガスが、水素を多く含む第二の燃料として使用される。しかし、この機能に対して純粋な水素４４を使用することも考えられる。

全体として、本発明は、下記の特徴及び利点によって特徴付けられる。
・「希釈剤」として天然ガスを使用することによって、Ｎ２や水蒸気などでの「希釈」時に通常予想されるような、動作又は効率を大きく制限することなく、水素を多く含む燃料を用いてガスタービンを安全に動作させることが可能になる。それによって、設備設計時の大きな変更を避けることができる。
・天然ガスを水素と混合することができ、その混合物を段階的に噴射することができる。それは、Ｈ２の「希釈」に少量のＮ２又は水蒸気で済むことを意味する。それと同時に、混合した燃料をより良好に噴射することができる（純粋なＨ２のジェットは、非常に弱く、浸入度が小さい）。
・天然ガスと水素は、バーナー内に、さもなければ、流れの方向に対して順番に噴射して、それに続いて混合させることができる。
・メタノール製造時に洗浄用水素が余るポリジェネレーション設備では、そのＨ２をガスタービンの天然ガス燃料と混合することができる。それによって、Ｈ２発生時に生じるＣＯ２の削減が前提条件である場合に、発生するエネルギー単位当たりのＣＯ２排出量が削減される。
・天然ガス中で少量のＨ２を燃焼させることは、ＡＥＶタイプの既存の希薄式事前混合バーナーでは問題にならない。
・本発明は、通常動作時に天然ガスで動作する設備だけでなく、天然ガスが連続動作を始動又は維持するための燃料としてのみ用いられる設備でも使用することができる。

１０ 複合サイクル発電施設ユニット
１１ 空気取入口
１２ 圧縮機
１３， １７ 燃焼室
１４， １５， １８， １９ 燃料供給部
１６， ２０ タービン
２１ 廃熱蒸気ボイラー
２２ 排ガス
２３ 水／水蒸気循環サイクル
２４ 蒸気タービン
２５ 凝縮器
２６ 給水タンク
２７ 給水ポンプ
２８ 事前混合バーナー
２９ 事前混合器
３０ 混合パイプ
３１ 空気分離ユニット（Ａｉｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ：ＡＳＵ）
３２ ガス化ユニット
３３ 水濾過ユニット
３４ 灰分濾過ユニット
３５ 冷却及び加水分解ユニット
３６ 汚水除去ユニット
３７ 硫黄処理ユニット
３８ ＭＤＥＡ洗浄ユニット
３９ 金属カルボニル除去ユニット
４０ ＰＳＡ精製ユニット
４１ 膜分離ユニット
４２ 硫黄
４３ 二酸化炭素
４４ 水素
４５ 残留ガス
４６ 未処理水素
４７ 電気エネルギー
４８ 合成ガス
４９ 蒸気
５０ 天然ガス
５１ 酸性ガス
５２ 使用済み炭素
５３ 蒸気
５４ 酸素
５５ 戻されて来た水
５６ 汚水
５７ 濾過ケーク
５８ 空気
５９ 窒素
６０ 高圧蒸気
６１ 給水
６２ 装入原料
６３ 排水
６４ 金属製灰分
６５ 排ガス

Claims (7)

1. 燃焼空気を圧縮するための少なくとも一つの圧縮機（１２）と、供給される燃料（１４，１５，１８，１９）を圧縮された燃焼空気を用いて燃焼させるための少なくとも一つの燃焼室（１３，１７）と、この少なくとも一つの燃焼室（１３，１７）からの高温ガスが貫流する少なくとも一つのタービン（１６，２０）とを有し、燃料として、天然ガスの形の炭素ベースの第一の燃料（１４，１８）と、水素を多く含む燃料又は純粋な水素の形の第二の燃料（１５，１９）とを使用し、第一及び第二の燃料（１４，１８；１５，１９）を互に混合して、少なくとも一つの燃焼室（１３，１７）内で一緒に燃焼させるガスタービン設備（１１〜２０）の動作方法において、
   ガスタービン設備（１１〜２０）が、それぞれタービン（１６，２０）を後続した少なくとも二つの連続する燃焼室（ １３，１７）内で逐次燃焼させる設備として構成されていることと、
   各燃焼室（１３，１７）内で、第一及び第二の燃料（１４，１８；１５，１９）の混合物を燃焼させることと、
   ガス化ユニット（３２）で炭素を含む装入原料（６２）からガスを取得して、そのガスが、冷却及び加水分解ユニット（３５）での冷却及びＣＯＳ加水分解、ＭＤＥＡ洗浄ユニット（３８）での酸性ガスの分離、並びに金属カルボニル除去ユニット（３９）での金属カルボニルの分離後に、水素を多く含む合成ガス（４８）として、ガスタービン設備（１１〜２０）に第二の燃料（１５，１９）として供給されることと、
   一つ又は複数の燃焼室（１３，１７）が、事前混合バーナー（２８）を備えていることと、
   流れの方向に対して、先ずは第一の燃料（１４，１８）を噴射し、更に下流で第二の燃料（１５，１９）を噴射することと、
   を特徴とする方法。
2. 水素が、膜分離ユニット（４１）で合成ガス（４８）の一部から抜き取られて、未処理の水素（４６）としてＰＳＡ精製ユニット（４０）に供給され、そこで純粋な水素（４４）に精製されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 膜分離ユニット（４１）及びＰＳＡ精製ユニット（４０）で発生した残留ガス（４５）がガスタービン設備（１１〜２０）で消費されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 事前混合バーナー（２８）が、事前混合器（２９）とそれに後続する混合パイプ（３０）とを有することと、
   第一の燃料（１４，１８）が事前混合器（２９）内に噴射され、第二の燃料（１５，１９）が混合パイプ（３０）内に噴射されることと、
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
5. ガスタービン設備（１１〜２０）が、複合サイクル発電施設ユニット（１０）の一部であることと、
   ガスタービン設備（１１〜２０）の高温の排ガスが、水蒸気（４９）を発生させるために使用されることと、
   を特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. 発生させた水蒸気を第二の燃料（１５，１９）を発生させるために使用することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 各燃焼室（１３，１７）には、第一及び第二の燃料用の別個の燃料供給部（１４，１８又は１５，１９）が配備されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。

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