JP4929227B2

JP4929227B2 - 高湿分空気利用ガスタービンシステム

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Publication number: JP4929227B2
Application number: JP2008118231A
Authority: JP
Inventors: 秀文荒木; 重雄幡宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: JP2009264348A

Description

本発明は二酸化炭素を除去する機構を備えた高湿分空気利用ガスタービンシステムに関する。

地球温暖化防止の観点から、二酸化炭素排出量の削減が国際的に求められている。化石燃料の燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を分離、回収することは、二酸化炭素排出量の削減のための有効な手段の一つである。

二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する技術としては、当該ガスを二酸化炭素の吸収液と気液接触させ、二酸化炭素を吸収液中に化学吸収して分離するものがある。例えば、特許文献１には、吸収液としてはアミン系溶液が提案されており、二酸化炭素を吸収した吸収液を再生塔で加熱し、二酸化炭素を放散させて分離回収することが提案されている。

特開２００５−２５４２１２号公報

ところで、吸収液としてＭＥＡ（モノエタノールアミン）を利用した場合、吸収した二酸化炭素を吸収液から解離させて除去する（再生）には、吸収液を１２０℃前後に加熱する必要がある。文献１（財団法人地球環境産業技術研究機構，平成１８年度二酸化炭素固定化・有効利用技術等対策事業「低品位廃熱を利用する二酸化炭素分離回収技術開発」成果報告書，平成１９年３月）によると、吸収液の再生に必要な熱エネルギーは、吸収液から二酸化炭素を解離するのに必要な化学反応のエネルギーだけでなく、吸収液自体を加熱、蒸発させる熱エネルギーが必要になり、実際に吸収液の再生に必要な熱エネルギーは化学反応で必要なエネルギーの２倍以上になることが知られている。同文献によると、吸収液としてＭＥＡを用いた場合、吸収液から二酸化炭素を解離させる化学反応に必要な熱量は、二酸化炭素１トン当たり１．９ＧＪであるが、吸収液の加熱や蒸発に必要な熱量を加えると４ＧＪに増加する。

このように吸収液を利用した二酸化炭素除去には多くの熱量が必要となる。そのため、排熱回収系統を備えた火力発電システムに二酸化炭素除去装置を設置すると、発電システムで利用できる排熱が減少してしまい発電効率が低下する恐れがある。

本発明の目的は、二酸化炭素除去に排熱を利用した場合にも、発電システムに利用可能な排熱が低減することを抑制できる高湿分空気利用ガスタービンシステムを提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気を加湿する加湿装置と、該加湿装置で加湿された空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスで回転され動力エネルギーを発生するタービンと、該タービンからの排ガスに二酸化炭素の吸収液及び水を含む液相混合媒体を接触させ、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する第１気液接触機構と、該第１気液接触機構からの液相混合媒体に液相混合媒体を気化させた気相混合媒体を接触させ、前記第１気液接触機構からの液相混合媒体から二酸化炭素を解離させて再生する第２気液接触機構と、該第２気液接触機構に供給するための気相混合媒体を生成するために、前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体を前記タービンからの排ガスで加熱する吸収液再加熱器と、前記第２気液接触機構から排出される水蒸気から熱を回収して凝縮させる第１凝縮器とを備え、該第１凝縮器で水蒸気から回収した熱は、前記加湿装置で圧縮空気の加湿に用いられる液体の熱源として利用するものとする。

このように構成した高湿分空気利用ガスタービンシステムによれば、吸収液再加熱器で加熱したリーン溶液を第２気液接触機構に供給でき、これを第２気液接触機構において吸収液から二酸化炭素を解離させるための熱源として利用できるので、排ガス中に含まれる二酸化炭素を回収できる。そして、第２気液接触機構から排出される熱を第１凝縮器で回収して、加湿装置で利用することができるので、二酸化炭素の解離に利用した熱を高湿分空気利用ガスタービンシステムに再利用することができる。

（２）上記（１）において、前記第１凝縮器は、前記第２気液接触機構から排出される水蒸気を液体と熱交換して凝縮しており、該液体は、前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体を利用したものであって、前記加湿装置において、前記圧縮機からの圧縮空気の加湿に用いられているものとする。

（３）上記（１）は、前記第１凝縮器から排出される水蒸気を凝縮させる第２凝縮器をさらに備えるものとする。

（４）上記（１）は、前記第２気液接触機構から排出される水蒸気の経路に設けられた圧力調整機構をさらに備えるものとする。

（５）上記（１）は、前記圧縮機で圧縮された空気を、前記加湿装置に供給する前に、前記加湿装置で加湿に用いられる液体と熱交換することで冷却する空気冷却器をさらに備えるものとする。

（６）上記（１）は、前記加湿装置で加湿に用いられる液体、前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体、又は前記吸収液再加熱器からの排ガスのいずれかを利用して、前記第１気液接触機構から前記第２気液接触機構に向かって供給される液相混合媒体を加熱する吸収液予熱器をさらに備えるものとする。

（７）上記（１）は、前記加湿装置で加湿に用いられる液体、又は前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体のいずれかを利用して、前記第１気液接触機構から排出される排ガスを加熱する排ガス再加熱器をさらに備えるものとする。

（８）上記（１）の前記第１凝縮器で得られた凝縮水は、前記第１気液接触機構に補給水として供給されるものとする。

（９）上記（１）の前記第１凝縮器で得られた凝縮水は、前記加湿装置に補給水として供給されるものとする。

（１０）上記（１）の前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体は、前記加湿装置に補給水として供給されるものとする。

（１１）上記（１）の前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体は、前記第１気液接触機構に補給水として供給されるものとする。

（１２）本発明は、上記目的を達成するために、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気を、二酸化炭素の吸収液及び水を含む液相混合媒体で冷却する空気冷却器と、該空気冷却器で冷却された空気を、前記空気冷却器で加熱された液相混合媒体で加湿する加湿装置と、該加湿装置で加湿された空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスで回転され動力エネルギーを発生するタービンと、該タービンからの排ガスに液相混合媒体を接触させ、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する第１気液接触機構と、該第１気液接触機構からの液相混合媒体に液相混合媒体を気化させた気相混合媒体を接触させ、前記第１気液接触機構からの液相混合媒体から二酸化炭素を解離させて再生する第２気液接触機構と、該第２気液接触機構に供給するための気相混合媒体を生成するために、前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体を前記タービンの排ガスで加熱する吸収液再加熱器とを備えるものとする。

本発明によれば、二酸化炭素除去に排熱を利用した場合にも、発電システムに利用可能な排熱が低減することを抑制できるので、システム全体の熱効率の低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態である高湿分空気利用ガスタービンシステムの概略系統図である。図中の実線は気体の流れを示し、点線は液体の流れを示している（後の図も同様）。

この図に示す高湿分空気利ガスタービンシステムは、ガスタービン設備１００と、二酸化炭素除去設備２００を備えている。

ガスタービン設備１００は、吸気室１４を介して取り込まれた空気を圧縮して吐出する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮され高温となった空気（圧縮空気）を冷却する空気冷却器２１と、空気冷却器２１で冷却された空気を加熱された液相混合媒体（後述）で加湿する加湿装置７と、加湿装置７で加湿された空気を排ガス１３で加熱する再生熱交換器１２と、再生熱交換器１２で加熱された空気を燃料と混合して燃焼する燃焼器４と、燃焼器４で発生した燃焼ガスで回転駆動され動力エネルギーを発生するタービン１を備えている。

なお、上記の混合媒体とは、加湿装置７で空気の加湿に利用される水と、吸収塔８１（後述）で二酸化炭素の吸収に利用される吸収液とを含んだ媒体のことを示す。ここでは、この混合媒体の相状態に応じて、適宜、液相混合媒体、または気相混合媒体と表記する。本実施の形態では、吸収液としてモノエタノールアミン（ＭＥＡ）を利用している。

吸気室１４は圧縮機２と連結されており、吸気室１４の入口には吸気フィルタ（図示せず）が設置されている。圧縮機２とタービン１の軸は減速機及び発電機（図示せず）に接続されており、タービン１によって発電された電力は電力線（図示せず）を介して電力供給先に送電される。

空気冷却器２１は、圧縮機２と加湿装置７の間に設置されており、圧縮空気と液相混合媒体を熱交換させている。即ち、この空気冷却器２１において、圧縮機２からの圧縮空気は液相混合媒体によって冷却されて加湿装置７に供給されており、他方、加湿装置７からの液相混合媒体は圧縮空気によって加熱されて加湿装置７に再度供給されている。

加湿装置７は、充填物７２と、充填物７２の上方に設置された液分散器（図示せず）を内蔵する容器である。加湿装置７の下部容器６２にはポンプ６３が設置された配管が取り付けられており、当該配管はポンプ６３の下流で配管６６と配管６７に分岐している。配管６６は、排ガス再加熱器８８及び高温凝縮器（第１凝縮器）８６（ともに後述）を通過した後に、配管３４として加湿装置７の液分散器と接続されている。一方、配管６７は、空気冷却器２１を通過した後に、加湿装置７の液分散器と接続されている。即ち、配管６７及び配管６６によって構成される２つの系統は、圧縮空気の加湿に一旦利用した液相混合媒体を高温凝縮器８６又は空気冷却器２１で加熱して、加湿装置７に循環供給している。

再生熱交換器１２にはタービン１を回転させた排ガス１３が供給されており、加湿装置７からの加湿空気が排ガス１３で加熱されている。再生熱交換器１２で加熱された加湿空気は燃焼器４に供給され、燃料と混合して燃焼されて燃焼ガスとなる。燃焼器４で発生した燃焼ガスは、タービン１を駆動した後、排ガス１３としてタービン１から排気される。タービン１からの排ガス１３は、下流に向かって、再生熱交換器１２、吸収液再加熱器８３（後述）、吸収液予熱器８４（後述）を順番に経由し、吸収塔８１（後述）に導かれている。

図１に示す二酸化炭素除去設備２００は、吸収塔（第１気液接触機構）８１と、再生塔（第２気液接触機構）８２と、吸収液再加熱器８３と、吸収液予熱器８４と、高温凝縮器（第１凝縮器）８６と、低温凝縮器（第２凝縮器）８７と、排ガス再加熱器８８を備えている。

吸収塔（第１気液接触機構）８１は、低温条件（例えば、約３０℃）において、再生熱交換器１２からの排ガスに対して液相混合体媒を接触させることで、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収するとともに、排ガスに含まれる水分を凝縮して回収するものである。吸収塔８１内の上部空間にはスプレイノズル９４が設置されており、スプレイノズル９４からは、吸収塔８１の内部を流動する排ガス１３に対して吸収液を含む液相混合媒体が噴霧されている。

吸収塔８１の下部は、液相混合媒体を貯蔵可能な容器状に形成されており、この容器部分には配管５１と配管５０が接続されている。配管５１は、ポンプ９２と冷却器８５を介して、スプレイノズル９４に接続されている。冷却器８５は、ポンプ９２によって昇圧された液相混合媒体を、河川水や海水などの冷却水によって冷却するものである。

配管５０は、ポンプ９１と吸収液予熱器８４を介して、配管３６と接続されている。吸収液予熱器８４は、吸収液再加熱器８３を通過したタービン１の排ガス１３を利用して、吸収塔８１から再生塔８２に供給される液相混合媒体を加熱するものである。配管３６は、吸収液予熱器８４で加熱された液相混合媒体が流通するもので、再生塔８２内の充填物９５の上方に設けられた散布ノズル（図示せず）と接続されている。

吸収塔８１の上部には、排気ダクト５３が接続されている。排気ダクト５３は、排ガス再加熱器８８を介してスタック５４に接続されている。排ガス再加熱器８８は、吸収塔８１において湿分と二酸化炭素が除去された排ガスを、所定の温度以上（例えば、６０℃以上）に加熱するためのものである。このように排ガスを加熱すると、排ガスの相対湿度が低下するので白煙の発生を防止することができるとともに、配管３３内の液相混合媒体の温度が低減するので高温凝縮器８６における凝縮量を増加することができる。なお、本実施の形態の排ガス再加熱器８８の加熱源は、配管６６を介して供給されている加湿装置７からの液相混合媒体である。

また、吸収塔８１には配管５２と配管３７が接続されている。配管５２は、吸収液（ＭＥＡ）を含む液相混合媒体を外部から補給するためのもので、液相混合媒体の供給源（図示せず）と接続されている。配管３７は、高温凝縮器８６と低温凝縮器８７で得られた凝縮水が流通するもので、高温凝縮器８６を介して低温凝縮器８７と接続されている。配管３７を流通する凝縮水は、重力の作用によって、吸収塔８１に補給水として供給されている。

再生塔（第２気液接触機構）８２は、吸収塔８１からの液相混合冷媒（すなわち、二酸化炭素を吸収した媒体（以下、リッチ溶液と称する））に対して、液相混合冷媒を気化させて得た気相混合冷媒を接触させ、吸収塔８１からの液相混合冷媒から二酸化炭素を解離させて再生するものである。本実施の形態の再生塔８２は、高温条件（例えば、約１２０℃）でリッチ溶液と気相混合媒体を気液接触させることで、リッチ溶液中の二酸化炭素を解離させている。二酸化炭素を放出させた後の媒体（以下、リーン溶液と称する）は、再生塔８２の下部に溜められる。

再生塔８２には、リッチ溶液と気相混合媒体の気液接触を促進させる充填物９５が内蔵されている。再生塔８２の下部には配管３０と配管３５が接続されている。

配管３０は、ポンプ９３と吸収液再加熱器８３を介して配管３１と接続されている。配管３１は充填物９５の下方において再生塔８２と接続されている。吸収液再加熱器８３は、再生塔８２に供給するための気相混合媒体を生成するために、再生塔８２内に溜まったリーン溶液を再生熱交換器１２からの排ガス１３で加熱するものである。再生塔８２から配管３０に導入されたリーン溶液は、ポンプ９３によって吸収液再加熱器８３に導かれ、そこで所定温度（約１２０℃）まで加熱される。加熱されたリーン溶液からは、二酸化炭素の一部が解離するとともに、液相の一部が蒸発し、気相混合媒体として配管３１から再生塔８２に導入される。

配管３５は、加湿装置７の下部容器６２と接続されている。配管３５にはポンプ９０が設けられており、ポンプ９０は再生塔８２に下部に溜まったリーン溶液を加圧して加湿装置７に供給している。

また、再生塔８２の上部には、配管３２が接続されている。配管３２は、再生塔８２においてリッチ溶液から解離された二酸化炭素や、気相混合媒体（即ち、蒸発した水（水蒸気）と吸収液）が流通するもので、高温凝縮器（第１凝縮器）８６と低温凝縮器（第２凝縮器）８７を経由して配管５６と接続されている。配管５６は、主に解離された二酸化炭素が流通するもので、二酸化炭素処理設備（図示せず）と接続されている。

高温凝縮器（第１凝縮器）８６は、加湿装置７から排出された液相混合媒体を利用して、再生塔８２から排出される二酸化炭素及び気相混合媒体の混合ガスから排熱を回収するとともに、水蒸気の一部を凝縮させて水分を回収するものである。高温凝縮器８６には、上記の配管３２と配管３７の他に、配管３３と配管３４が接続されている。配管３３は、排ガス１３を加熱した後の液相混合媒体（被加熱側流体）が流通するもので、排ガス再加熱器８８と接続されている。配管３４は、高温凝縮器８６で混合ガス（加熱側流体）によって加熱された液相混合媒体を加湿装置７に供給するもので、加湿装置７の液分散器と接続されている。

低温凝縮器（第２凝縮器）８７は、高温凝縮器８６で凝縮されなかった水蒸気を冷熱源（例えば、河川水や海水等）で更に冷却して凝縮するもので、高温凝縮器８６の下流側に設置されている。低温凝縮器８７にも配管３７が接続されており、低温凝縮器８７で回収された凝縮水は高温凝縮器８６を介して吸収塔８１に供給される。なお、本実施の形態では、より多くの水分を回収するために低温凝縮器８７を設置したが、水分を充分用意できる場合等には、低温凝縮器８７を省略しても構わない。

ところで、本実施の形態では、再生塔８２の運転圧力は大気圧程度としているが、最適な再生塔８２の運転圧力はシステムの仕様によって異なるため、再生塔８２の運転圧力を調整する圧力調整機構を設置することが好ましい。

図１に示したシステムにおける圧力調整機構は、再生塔８２の運転圧力を調整する圧力調整弁５５であり、低温凝縮器８７の下流側に位置するように配管３２に設置されている。圧力調整弁５５を閉めて再生塔８２の運転圧力を高くすると、二酸化炭素の解離に必要な温度が大気圧の場合より高温となるので、再生塔８２で発生する水蒸気の温度が相対的に高くなる。これにより、高温凝縮器８６で回収できる排熱の温度を上げることができるので、加湿装置７へ供給する液相混合媒体の温度（即ち、加湿装置７へ供給する熱量）を増加させることができる。なお、このように水蒸気の温度を上昇させると、吸収液の蒸発量が増加するので、吸収液再加熱器８３の負荷が大きくなることに留意する必要がある。

また、圧力調整機構を利用して、再生塔８２の運転圧力を大気圧未満に設定しても良い。この場合の圧力調整機構の例としては、配管３２内の気体を圧縮機等で吸引する減圧機構がある（図示せず）。再生塔８２の運転圧力を大気圧未満に設定すると、吸収液の再生に必要な温度が相対的に低下するので、吸収液再加熱器８３の負荷を小さくすることができる。なお、このときは、高温凝縮器８６での水蒸気の凝縮温度が低下するので、加湿装置７へ供給する液相混合媒体の温度（即ち、加湿装置７へ供給する熱量）が低減することに留意する必要がある。

次に、本実施の形態の高湿分空気利用ガスタービンシステムの動作を説明する。

吸気室１４に吸い込まれた空気は、吸気フィルタ（図示せず）によって煤塵などを除去されたあと、圧縮機２によって圧縮される。圧縮機２から吐出される圧縮空気は、空気冷却器２１によって冷却される。空気冷却器２１で圧縮空気を冷却すると、加湿装置７内の充填物７２を流下する液相混合媒体の温度を低下することができるので、排ガス再加熱器８８および高温凝縮器８６への給水温度を低下させることができ、結果的に高温凝縮器８６での熱回収量を増加させることができる。

空気冷却器２１で冷却された圧縮空気は、加湿装置７の下部から供給され、液分散器から散布されて流下する液相混合媒体（熱水）と充填物７２の表面で気液接触を繰返し加湿される。本実施の形態では、循環する液相混合媒体に吸収液（ＭＥＡ）が混合されているため、加湿装置７内の温度及び圧力に対応する蒸気圧の吸収液が蒸発することになる。蒸発した吸収液は圧縮空気とともにガスタービン設備１００に導入され、最終的には燃焼器４で燃料とともに燃焼される。

充填物７２の上方から散布された液相混合媒体は、空気の加湿によって蒸発した分の流量が減少し、その残りが加湿装置７の下部容器６２に収集される。下部容器６２に収集された液相混合媒体の一部は、ポンプ６３によって加圧されて、配管６６を経由して排ガス再加熱器８８へ給水される。排ガス再加熱器８８で排ガスを加熱した液相混合媒体は、高温凝縮器８６で気相混合媒体及び二酸化炭素によって加熱され、再び加湿装置７の液分散器に供給される。一方、下部容器６２に収集された液相混合媒体の残りの一部は、ポンプ６３によって加圧され、配管６７を経由して空気冷却器２１へ供給される。空気冷却器２１に供給された液相混合媒体は、圧縮機２の吐出空気により加熱されて、再び加湿装置７の液分散器に供給される。このように加湿装置７に循環供給される液相混合媒体は、圧縮空気を加湿することで徐々に減少していくが、再生塔８２から配管３５を介して補給されるリーン溶液（温度約１００℃）の流量が制御され、下部容器６２の水位は一定に保持される。

加湿装置７で加湿された圧縮空気は、再生熱交換器１２で排ガス１３により加熱されて、燃焼器４に供給される。加湿空気は、燃焼器４で燃料とともに燃焼され、高温の燃焼ガスとなる。本実施の形態の加湿空気は、再生熱交換器１２で加熱されているため、再生熱交換器１２が無い場合よりも、燃焼器４で消費する燃料量を大幅に節約でき、プラント熱効率を向上することができる。燃焼器４で発生した燃焼ガスは、タービン１に供給されて静翼及び動翼（図示せず）を通過することによりブレイトンサイクルの膨張過程を経て、回転運動エネルギーに変換される。この回転運動エネルギーは、タービン１のロータに連結された圧縮機２の駆動力に消費されるとともに、発電機（図示せず）で電気エネルギーとして取り出される。本実施の形態では、加湿装置７で圧縮空気を加湿しているので、タービン１を駆動する流体が圧縮機２で圧縮した流体よりも増加している。これにより通常のガスタービンと比較してより多くのエネルギーを取り出すことができるので、プラント熱効率を向上することができる。

タービン１での膨張過程を経て排出された排ガス１３は、再生熱交換器１２で加湿空気の加熱に利用される。再生熱交換器１２から排出された排ガス１３は、吸収液再加熱器８３へ供給され、再生塔８２の二酸化炭素の解離に必要なエネルギーと吸収液の蒸発に必要なエネルギーとして利用される。吸収液再加熱器８３を経た排ガス１３は、吸収液予熱器８４を通過し、吸収塔８１からのリッチ溶液（約４０℃）を所定温度（約１００℃）まで加熱するとともに、自身の温度を所定温度（約７０℃）まで低下させる。

吸収塔８１に導入された排ガス１３は、スプレイノズル９４から散布される吸収液（約３０℃）と気液接触する。この時、排ガス１３には湿分（約２０体積パーセント）が含まれており、その露点温度は６０℃以上であることから、大部分の湿分は凝縮して吸収塔８１の下部容器に収集される。また、排ガス１３に含まれる二酸化炭素（約３体積パーセント）は、大部分が吸収液に吸収される。湿分と二酸化炭素が除去された排ガスは、排気ダクト５３から排ガス再加熱器８８に導かれ、所定温度（６０℃以上）に加熱された後にスタック５４から大気中に排出される。

吸収塔８１の下部容器に収集された液相混合媒体の一部は、配管５１とポンプ９２により冷却器８５に供給され、河川水や海水などの冷却水によって所定温度（約３０℃）まで冷却される。吸収塔８１の下部容器に収集された液相混合媒体の残りは、配管５０とポンプ９１により吸収液予熱器８４に供給され、排ガス１３によって所定温度（約１００℃）まで加熱される。吸収液予熱器８４で加熱された液相混合媒体（リッチ溶液）は、配管３６を介して再生塔８２の散布ノズルに供給される。

再生塔８２では、容器の下部に収集されたリーン溶液が、配管３０とポンプ９３により吸収液再加熱器８３に供給される。吸収液再加熱器８３に供給されたリーン溶液は、排ガス１３の熱によって所定温度（約１２０℃）に加熱され、溶解している二酸化炭素の一部が解離するとともに、溶液の一部が蒸発し、配管３１によって再生塔８２に戻される。この気相混合媒体は、再生塔８２の内部を上方に向かって流れ、散布ノズルから落下するリッチ溶液と充填物９５の表面で気液接触する。この気液接触によりリッチ溶液に加えられた熱は、吸収された二酸化炭素が解離するための熱エネルギーとなり、二酸化炭素が解離される。二酸化炭素が解離したリッチ溶液はリーン溶液に変化して再生塔８２の下部に収集される。再生塔８２の下部に収集されたリーン溶液の一部は、配管３５とポンプ９０により加湿装置７に補給され、圧縮空気の加湿によって消耗した水分の補給水として利用される。

ところで、再生塔８２及び吸収液再加熱器８３で解離した二酸化炭素と蒸発した気相混合媒体は、配管３２によって高温凝縮器８６に導かれる。高温凝縮器８６において、気相混合媒体中の水蒸気は、配管３３を流通する液相混合媒体によって冷却され、凝縮して凝縮水となる。また、高温凝縮器８６を通過した水蒸気は、そのさらに下流側に設置された低温凝縮器８７において、さらに冷却されて凝縮水となる。このように高温凝縮器８６及び低温凝縮器８７で回収された凝縮水は、配管３７を介して吸収塔８１の補給水として利用される。また、高温凝縮器８６に導かれた二酸化炭素は、配管５６から取り出される。一方、配管３３を介して高温凝縮器８６に供給された液相混合媒体は、水蒸気の保有する潜熱によって所定温度（約１００℃）まで加熱され、配管３４を介して加湿装置７の液分散器へ供給される。

次に、従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムと比較を行いつつ、本実施の形態の効果について説明する。

図２は従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムの概略系統図である。先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図についても同様とする）。

この図に示す高湿分空気利用ガスタービンシステムは、排ガス１３で加湿装置７に供給する水を加熱するエコノマイザ１６と、排ガス１３中の水分を回収する水回収装置７１と、水の供給源と接続された配管５９を備えている。そして、この図のシステムでは、加湿装置７で水を蒸発させるための潜熱を補うため、空気冷却器２１とエコノマイザ１６で生成した熱水を循環させることによって排熱を回収している。例えば、文献２（Araki, H., Katagiri, Y., Marushima, S., Hatamiya, S., Higuchi, S. and Tsukamoto, M., “Experimental Results of Humidification and Water Recovery of The Advanced Humid Air Turbine System Pilot Plant”, IGTC-07, TS-012, 2007）によると、電気出力４．０ＭＷの高湿分空気利用ガスタービンシステムでは、空気冷却器２１とエコノマイザ１６で回収可能な排熱は、約４．０ＭＷである。空気冷却器２１とエコノマイザ１６の回収熱量はほぼ同等であり、エコノマイザ１６で回収できる排熱は約２ＭＷとなる。同システムで発生する二酸化炭素量は、発電効率と排ガス流量から換算すると約０．５７ｋｇ／ｓであり、前記文献１に基づいて、１トンの二酸化炭素を吸収液（ＭＥＡ）によって回収するために必要なエネルギーの原単位を４．０ＧＪ／ｔ−ＣＯ_２と仮定すると、電気出力４．０ＭＷの高湿分空気利用ガスタービンシステムから発生される二酸化炭素すべてを回収するために必要な熱エネルギーは２．３ＭＷになる。即ち、従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムで二酸化炭素を除去する場合、従来のシステムのエコノマイザ１６で回収する排熱と同程度の熱量が必要となるため、二酸化炭素除去設備を単純に追加設置した場合等には、発電システムで利用できる排熱が半減してしまい発電効率が著しく低下する恐れがあった。

これに対して、本実施の形態の高湿分空気利用ガスタービンシステムは、液相混合媒体を利用して排ガスに含まれる二酸化炭素と水分を回収する吸収塔（第１気液接触機構）８１と、吸収塔８１からの液相混合媒体（リッチ溶液）から二酸化炭素を解離させて再生する再生塔（第２気液接触機構）８２と、再生塔８２で二酸化炭素を解離するための熱源となるリーン溶液を加熱する吸収液再加熱器８３と、加湿装置７から排出される液相混合媒体を利用して、再生塔８２から排出される水蒸気を凝縮させる高温凝縮器（第１凝縮器）８６を備えている。

このように構成した本実施の形態の高湿分空気利用ガスタービンシステムによれば、吸収液再加熱器８３でリーン溶液を加熱して、気相混合媒体として再生塔８２に供給でき、これを再生塔８２において吸収液から二酸化炭素を解離させるための熱源として利用できるので、排ガス１３中に含まれる二酸化炭素の回収が実現できる。そして、再生塔８２から排出される気相混合媒体と二酸化炭素の熱を高温凝縮器８６で回収して、配管３４を介して加湿装置７で利用することができるので、二酸化炭素の解離に利用した熱を高湿分空気利用ガスタービンシステムに再利用することができる。このとき、高温凝縮器８６で回収される熱は、吸収液の加熱に必要な顕熱と吸収液の一部を蒸発させるための潜熱の大部分に該当し、この熱は吸収液から二酸化炭素を解離するために必要な総熱量のうち約半分に相当する（すなわち、前記文献１が開示する例では、二酸化炭素除去に必要な総熱量（４ＧＪ）から化学反応に必要な熱量（１．９ＧＪ）を減じた、吸収液の加熱や蒸発に必要な熱量（２．１ＧＪ）の大部分に相当する）。したがって、本実施の形態のシステムによれば、吸収液から二酸化炭素を解離させながら、従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムのエコノマイザ１６が回収する熱量の約半分を高温凝縮器８６で回収できることになる。したがって、本実施の形態によれば、二酸化炭素除去に排熱を利用した場合にも、発電システムに利用可能な排熱が低減することを抑制できるので、システム全体の熱効率の低下を抑制することができる。

また、図１に示した高湿分空気利用ガスタービンシステムは、上記構成に加えて圧縮空気から熱を回収する空気冷却器２１を備えている。空気冷却器２１を設けると、圧縮機２から吐出される高温の圧縮空気の温度を低減できるので、加湿装置７の充填物７２から流下する水の温度を、空気冷却器２１が無い場合と比較して低減することができる。その結果、排ガス再加熱器８８および高温凝縮器８６への給水温度が相対的に低くなるので、高温凝縮器８６での熱回収量を向上させることができる。これにより加湿装置７での加湿量が増加するので、発電効率を更に向上させることができる。ここで、上記の高温凝縮器８６に空気冷却器２１を含めたシステム全体における合計回収エネルギーを考慮すると、結果的に、従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムの約４分の３に相当する量を回収することができることになる。

なお、上記の効果の説明では、従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムを発電効率の比較対象としたが、通常の再生サイクルガスタービンを比較対象とした場合には、図１に示した高湿分空気利用ガスタービンシステムから高温凝縮器８６を省略しても良好な発電効率を発揮することができる。この場合には、加湿装置７で加湿に利用できる熱エネルギーは、空気冷却器２１による回収エネルギーのみになるので、従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムの約２分の１になるが、この場合でもなお、通常の再生サイクルガスタービンと従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムの中間程度の発電効率を発揮することができるからである。

また、図１に示した高湿分空気利用ガスタービンシステムは、下記の２つの構成をさらに有しているため、排ガスからの二酸化炭素の分離操作に必要なエネルギーを可及的に低減でき、高湿分空気利用ガスタービンシステムの効率をさらに向上させることができる。

その第１の構成としては、加湿装置７の補給水として再生塔８２のリーン溶液を利用している点が挙げられる。従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムでは、加湿装置７において、加湿により失われた水分を補給するための補給水として、水回収装置１７の温水（約６０℃）を用いている。一方、本実施の形態では、再生塔８２から排出されるリーン溶液（約１００℃）を加湿装置７の補給水としているため、熱効率を向上することができる。

また、第２の構成としては、吸収液予熱器８４を備えている点が挙げられる。従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムでは、吸収液予熱器８４が無いため、水回収装置１７の入口の排ガス温度は相対的に高く、約１００℃程度となる。一方、本発明では、吸収液予熱器８４により配管５０のリッチ溶液（約４０℃）を加熱しており、吸収塔８１の入口での排ガス温度を従来より低い温度（約７０℃）まで低下させることができる。これにより、吸収塔８１を介して外部に捨てる排ガスのエネルギーが減少するので、システム全体として熱効率を向上することができる。

なお、上記の実施の形態では、吸収液と排ガス１３の熱交換を単独の熱交換器である吸収液再加熱器８３で行ったが、この熱交換を２基の熱交換器で行っても良い。この場合の具体例としては、第１の熱交換器で排ガス１３により水を加熱して水蒸気を発生させ、その水蒸気を第２の熱交換器に供給して、第２の熱交換器で水蒸気により吸収液を加熱する方式がある。この場合、第１の熱交換器で発生する水蒸気を飽和蒸気とすれば、第２の熱交換器で吸収液を加熱する温度を一定に保つことができるので、設備コストが高価になっても加熱温度を一定にする必要がある場合に特に顕著なメリットとなる。

また、上記では、吸収塔８１としてスプレイ式のものを、再生塔８２として充填物式のものを例示したが、これらの基本作用は気液接触であり、どちらもスプレイ式、充填物式から任意に選定可能である。スプレイ式は、ガス側の圧力損失を小さくできる特徴があるが、気液接触性能を高めるためには、ガスやスプレイ液滴の空間的流量配分の均一化、スプレイ液滴の微細化などが求められる。他方、充填物式は、ガス側の空間的流量配分の均一化が比較的容易であるが、ガス側の圧力損失が大きくなる傾向がある。

さらに、上記では、加湿装置７の方式として充填物７２による気液接触によるものを想定したが、スプレイによる気液接触でも構成可能である。その場合は、スプレイ液滴と空気との気液接触により、液滴表面から水分が蒸発し、空気が加湿される。その際、スプレイ液滴は蒸発潜熱を奪われることにより温度が低下し、最後まで蒸発せずに残った液滴はドレンとして回収された後、排ガス再加熱器８８および高温凝縮器８６へ給水される。スプレイ式と充填物式の選定による利害得失は、前記の吸収塔８１あるいは再生塔８２の気液接触機構の選定について記載したものと同様である。

また、上記の実施の形態では、吸収塔８１から排出される排ガスを、白煙発生防止等の目的で排ガス再加熱器８８により加熱しているが、そのままスタック５４から排出することも可能である。白煙の正体は水蒸気であり環境への影響は無いが、景観の保全上、白煙の発生を防止したい要求がある場合に排ガス再加熱器８８を設置すれば良い。

さらに、上記では、吸収液としてＭＥＡ（モノエタノールアミン）を利用した場合を説明したが、それ以外の吸収液でももちろん実施可能である。吸収液の種類により、吸収あるいは再生に必要な温度条件、必要な熱量などが異なるので、選定した吸収液に合わせてシステム運転条件を設計することが好ましい。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。

本実施の形態の高湿分空気利ガスタービンシステムが第１の実施の形態のものと相違する点は、高温凝縮器８６及び低温凝縮器８７で回収された凝縮水を加湿装置７の補給水として利用している点と、再生塔８２で再生した液相混合媒体（リーン溶液）を吸収塔８１へ還流している点にある。

図３は本発明の第２の実施の形態である高湿分空気利用ガスタービンシステムの概略系統図である。

この図に示す高湿分空気利用ガスタービンシステムは、高温凝縮器８６及び低温凝縮器８７で回収された凝縮水を加湿装置７の補給水として利用するために、配管３７Ａと、ポンプ９９を備えている。配管３７Ａは、高温凝縮器８６及び低温凝縮器８７で回収された凝縮水が流通するもので、高温凝縮器８６及び低温凝縮器８７と加圧装置７の下部容器６２とを接続している。ポンプ９９は、配管３７Ａ内の凝縮水を昇圧して、加湿装置７に供給するものである。

このように構成した本実施の形態において、高温凝縮器８６及び低温凝縮器８７で吸収液を含んだ水を蒸発させると、水と吸収液成分の沸点の相違を利用することで、水を選択的に回収することが容易になる。これにより、第１の実施の形態のように加湿装置７の給水として再生塔８２のリーン溶液を利用する場合と比較して、給水中の吸収液成分を希薄にすることができる。その結果、加湿装置７で蒸発する吸収液成分が少なくなるので、第１の実施の形態と比較して、吸収液の消耗を低減できるメリットがある。

なお、第１の実施の形態の場合には、加湿装置７へ補給する水量を任意に選定できるが、本実施の形態では、凝縮器８６，８７で回収される凝縮水の量によって給水量が制約される場合があることに留意すべきである。凝縮器８６，８７で回収される凝縮水の量を増加する場合には、吸収液再加熱器８３の加熱量を増加させることで対応できるので、いずれの構成を採用するかは、システム熱バランスの観点に基づいて適した方を適宜選定すれば良い。

また、図３に示した高湿分空気利用ガスタービンシステムは、再生塔８２で再生したリーン溶液を吸収塔８１へ還流するために、配管３５Ａと、吸収液予熱器８４Ａを備えている。配管３５Ａは、再生塔８２で再生されたリーン溶液が流通するもので、吸収液予熱器８４Ａを介して吸収塔８１と接続されている。吸収液予熱器８４Ａは、吸収塔８１から配管５０を介して再生塔８２へ供給されるリッチ溶液を再生塔８２からのリーン溶液で加熱するものである。

このように、再生塔８２で得られたリーン溶液を吸収塔８１に直接供給するように構成しても、二酸化炭素除去が可能な高湿分空気利用ガスタービンシステムを構成できるので、システム設計の幅を拡張することができる。なお、本実施の形態のようにリーン溶液を吸収塔８１に還流すると、第１の実施の形態の場合と比較して、外部から吸収塔８１に補給する吸収液の量を低減できるメリットがあるが、高温のリーン溶液をリッチ溶液で冷却するため熱損失が発生する点に留意すべきである。いずれの構成を採用すべきかは、上記した加湿装置７の補給水の供給源とも関連するので、システム設計時に総合的な観点から判断すれば良い。

また、本実施の形態では吸収液予熱器８４Ａの加熱源を再生塔８２からのリーン溶液としているので、液体（リーン溶液）と液体（リッチ溶液）の熱交換器となり、熱交換器をコンパクトにできるメリットがある。なお、吸収液予熱器８４の設置位置は、再生塔８２から吸収塔８１へのリーン溶液の還流方法に制約されるものではなく、任意である。吸収液予熱器８４の熱源を排ガス１３とした場合には、吸収塔８１へ供給する排ガス１３の温度を低くすることができるので、冷却器８５の熱負荷を低減することができる。

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。

本実施の形態の高湿分空気利ガスタービンシステムが第２の実施の形態のものと相違する点は、加湿装置７から排出される液相混合媒体（熱水）を吸収液予熱器８４Ｂの加熱源として利用している点と、再生塔８２のリーン溶液を排ガス再加熱器８８Ｂの加熱源として利用している点にある。

図４は本発明の第３の実施の形態である高湿分空気利用ガスタービンシステムの概略系統図である。

この図に示す高湿分空気利用ガスタービンシステムは、加湿装置７から排出される液相混合媒体（熱水）を吸収液予熱器８４Ｂの加熱源として利用するために、配管６６Ｂと、吸収液予熱器８４Ｂを備えている。配管６６Ｂは、加湿装置７から排出される液相混合媒体が流通するもので、加湿装置７の下部容器６２と吸収液予熱器８４Ｂを接続している。吸収液予熱器８４Ｂは、配管６６Ｂ内を流通する液相混合媒体を利用して吸収塔８１からのリッチ溶液を加熱するもので、配管５０と配管３６の間に設置されている。

このように、加湿装置７から排出される液相混合媒体を吸収液予熱器８４Ｂの加熱源とするように構成しても、二酸化炭素除去が可能な高湿分空気利用ガスタービンシステムを構成できるので、システム設計の幅を拡張することができる。なお、第２の実施の形態の加熱源である再生塔８２のリーン溶液の温度が約１００℃であるのに対して、本実施の形態の加熱源である液相混合媒体の温度はガスタービンの圧力比などに依存するため１００℃前後となる。しかし、これらの熱水（液相混合媒体）の流量はシステムの設計に依存して異なるため、具体的な場合に応じて最適なものを選択すればよい。

また、図４に示した高湿分空気利用ガスタービンシステムは、再生塔８２のリーン溶液を排ガス再加熱器８８の加熱源として利用するために、配管３５Ｂと、排ガス再加熱器８８Ｂを備えている。配管３５Ｂは、再生塔８２で再生された液相混合媒体（リーン溶液）が流通するもので、排ガス再加熱器８８Ｂを介して吸収塔８１と接続されている。排ガス再加熱器８８Ｂは、配管３５Ｂ内を流通するリーン溶液を利用して排気ダクト５３中の排ガスを加熱するもので、排気ダクト５３の下流側に位置するように配管３５Ｂ上に設けられている。

このように再生塔８２から排出されるリーン溶液を排ガス再加熱器８８の加熱源として利用しても、二酸化炭素除去が可能な高湿分空気利用ガスタービンシステムを構成できるので、システム設計の幅を拡張することができる。前述のように、加湿装置７からの液相混合媒体と再生塔８２からの液相混合媒体の水温に大差はないが、これらの流量はシステムの設計に依存して異なるため、最適な方を適宜選択することができる。

本発明の第１の実施の形態である高湿分空気利用ガスタービンシステムの概略系統図。従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムの概略系統図。本発明の第２の実施の形態である高湿分空気利用ガスタービンシステムの概略系統図。本発明の第３の実施の形態である高湿分空気利用ガスタービンシステムの概略系統図。

符号の説明

１タービン
２圧縮機
４燃焼器
７加湿装置
１２再生熱交換器
１３排ガス
２１空気冷却器
３４配管
５５圧力調整弁（圧力調整機構）
８１吸収塔（第１気液接触機構）
８２再生塔（第２気液接触機構）
８３吸収液再加熱器
８４吸収液予熱器
８６高温凝縮器（第１凝縮器）
８７低温凝縮器（第２凝縮器）
８８排ガス再加熱器
１００ガスタービン設備
２００二酸化炭素除去設備

Claims

空気を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機で圧縮された空気を加湿する加湿装置と、
該加湿装置で加湿された空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器と、
該燃焼器からの燃焼ガスで回転され動力エネルギーを発生するタービンと、
該タービンからの排ガスに二酸化炭素の吸収液及び水を含む液相混合媒体を接触させ、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する第１気液接触機構と、
該第１気液接触機構からの液相混合媒体に液相混合媒体を気化させた気相混合媒体を接触させ、前記第１気液接触機構からの液相混合媒体から二酸化炭素を解離させて再生する第２気液接触機構と、
該第２気液接触機構に供給するための気相混合媒体を生成するために、前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体を前記タービンからの排ガスで加熱する吸収液再加熱器と、
前記第２気液接触機構から排出される水蒸気から熱を回収して凝縮させる第１凝縮器とを備え、
該第１凝縮器で水蒸気から回収した熱は、前記加湿装置で圧縮空気の加湿に用いられる液体の熱源として利用されていることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記第１凝縮器は、前記第２気液接触機構から排出される水蒸気を液体と熱交換して凝縮しており、
該液体は、前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体を利用したものであって、前記加湿装置において、前記圧縮機からの圧縮空気の加湿に用いられていることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記第１凝縮器から排出される水蒸気を凝縮させる第２凝縮器をさらに備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記第２気液接触機構から排出される水蒸気の経路に設けられた圧力調整機構をさらに備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記圧縮機で圧縮された空気を、前記加湿装置に供給する前に、前記加湿装置で加湿に用いられる液体と熱交換することで冷却する空気冷却器をさらに備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記加湿装置で加湿に用いられる液体、前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体、又は前記吸収液再加熱器からの排ガスのいずれかを利用して、前記第１気液接触機構から前記第２気液接触機構に向かって供給される液相混合媒体を加熱する吸収液予熱器をさらに備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記加湿装置で加湿に用いられる液体、又は前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体のいずれかを利用して、前記第１気液接触機構から排出される排ガスを加熱する排ガス再加熱器をさらに備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記第１凝縮器で得られた凝縮水は、前記第１気液接触機構に補給水として供給されることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記第１凝縮器で得られた凝縮水は、前記加湿装置に補給水として供給されることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体は、前記加湿装置に補給水として供給されることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいて、
前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体は、前記第１気液接触機構に補給水として供給されることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
空気を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機で圧縮された空気を、二酸化炭素の吸収液及び水を含む液相混合媒体で冷却する空気冷却器と、
該空気冷却器で冷却された空気を、前記空気冷却器で加熱された液相混合媒体で加湿する加湿装置と、
該加湿装置で加湿された空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器と、
該燃焼器からの燃焼ガスで回転され動力エネルギーを発生するタービンと、
該タービンからの排ガスに液相混合媒体を接触させ、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する第１気液接触機構と、
該第１気液接触機構からの液相混合媒体に液相混合媒体を気化させた気相混合媒体を接触させ、前記第１気液接触機構からの液相混合媒体から二酸化炭素を解離させて再生する第２気液接触機構と、
該第２気液接触機構に供給するための気相混合媒体を生成するために、前記第２気液接触機構で再生された液相混合媒体を前記タービンの排ガスで加熱する吸収液再加熱器とを備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。