JP2010530948A - オキシ燃料燃焼により発電する方法及び発電プラント - Google Patents

Abstract

実質的に純粋な酸素により炭素質燃料を燃焼することによって発電する方法、及び実質的に純粋な酸素により炭素質燃料を燃焼するための電力プラント、並びに、炭素質燃料を燃焼することにより発電するプロセスを、空気による燃料の燃焼から、実質的に純粋な酸素による燃料の燃焼へと修正する方法。これら方法は、炉内に実質的に純粋な酸素を供給して酸素により燃料を燃焼することにより、主に二酸化炭素及び水を含む排出ガスを生成する工程と、排出ガス・チャネルの下流部分に配置された複数の排出ガス冷却器を用いることにより、排出ガスから低位熱を回収する工程であって、回収された低位熱の第１の部分が給水を予熱するために使用される工程と、複数の排出ガス圧縮機において排出ガスの第１の部分を圧縮して、液体二酸化炭素を生成する工程と、排出ガス再循環チャネルを介して炉に排出ガスの第２の部分を再循環させる工程と、蒸気タービンシステムから抽気された蒸気の第１の部分を使用して給水を予熱する工程であって、回収された低位熱の第１の部分は回収された低位熱の総量の５０％超であり、又は空気燃焼プロセスにおいて回収された低位熱の第１の部分よりも多く、それにより、抽気された蒸気の第１の部分を最小限に抑えることが可能となる工程と、電力プラントの少なくとも１つの圧縮機又は少なくとも１つのポンプを駆動するために、少なくとも１つの補助蒸気タービンにおいて抽気された蒸気の第２の部分を膨張させる工程とを含む。

Description

本発明は、効率的なオキシ燃料燃焼の方法、及び効率的なオキシ燃料燃焼のための発電プラントに関し、炭素質燃料の燃焼により発電するプロセスを、空気による燃料の燃焼から実質的に純粋な酸素による燃料の燃焼へと変更する方法に関する。さらに詳細には、本発明は、二酸化炭素除去により発電コスト又は発電損失が最小限に抑えられる、二酸化炭素除去を伴うオキシ燃料燃焼に関する。

オキシ燃料燃焼は、微粉炭（ＰＣ）ボイラ又は循環流動床（ＣＦＢ）ボイラなどの発電ボイラの燃焼ガスからＣＯ_２を除去するために提案される方法の１つである。オキシ燃料燃焼は、典型的には約９５％の純度の実質的に純粋な酸素による炭素質燃料の燃焼に基づくものであり、それにより、二酸化炭素及び水が、ボイラから排出される排出ガスの主成分として得られる。これにより、二酸化炭素は、空気によって燃料を燃焼する際のように、主成分として窒素を有するガス流から二酸化炭素を分離させる必要性を伴うことなく、比較的容易に捕獲され得る。

オキシ燃料燃焼は、酸素供給源の必要性により、典型的には極低音空気分離ユニット（ＡＳＵ）の必要性により、従来の燃焼よりも複雑である。極低音空気分離ユニットにおいては、空気が冷却及び圧縮され、それによって、酸素を、空気の他の成分、主に窒素から分離することが可能となる。ＣＯ_２は、例えば排出ガスを比較的低い温度に冷却することにより、及び、排出ガスを典型的には１１メガパスカルを上回る高圧に圧縮することにより、排出ガスから分離させることが可能である。酸素の生成及び二酸化炭素の圧縮／精製は共に、例えば発電プロセスにおいて生成される正味電力を低減させることによって、発電プロセスの総発電コストを増大させる。

事業用ボイラの蒸気サイクルは、復水器から得られた低温給水が高温蒸気へと変えられる複数の加熱ステージを備え、この高温蒸気は、高圧蒸気タービンに案内されることとなる。給水を加熱するプロセスは、予熱ステージ、蒸発ステージ、及び過熱ステージを含む。通常は、給水予熱は、蒸気タービンから抽気された蒸気による加熱、及び、排出ガス・チャネルの下流部分に配置された１つ又は複数の節炭器における最終予熱からなる。事業用ボイラの従来の蒸気サイクルの一実例が、米国特許第４，４３０，９６２号において示されている。

通常は、蒸発熱交換面が、炉の水冷壁として配置され、殆どの場合には、過熱面、及び可能である場合には予熱面が、排出ガス・チャネルの上流部分に配置される。ボイラの熱効率を上昇させるために、通常は、排出ガス・チャネルの下流部分には、空気加熱器が、節炭器の下流に配置され、この空気加熱器において、排出ガスは、典型的には１５０℃から１２０℃までである最終温度に冷却されることとなる。空気加熱器を有する事業用ボイラの一実例が、米国特許第４，２０５，６３０号において示されている。

米国特許第６，２０２，５７４号は、実質的に純粋な酸素により化石燃料を燃焼させて、二酸化炭素及び水を２つの最大成分として有する排出ガスを生成するための燃焼ユニットを示唆する。排出ガスの一部分が、燃焼ユニットへと再循環され、排出ガスの残りの部分が、圧縮及び不要成分除去されて、液相の二酸化炭素が生成される。再循環される排出ガス及び実質的に純粋な酸素の流れは、それぞれのガス間熱交換器において排出ガスによって予熱される。

米国特許第６，９３５，２５１号は、オキシダント流として空気を使用することにより生成された燃料ガスの質量流量よりも低い質量流量の燃料ガスを生成するために、燃料ガスと混合された２１％から１００％までの酸素含有量の酸素富化ガス流を含むオキシダント流により燃料を燃焼する方法を示唆しており、これにより、燃料ガス汚染制御システムのサイズを最小限に抑えることが可能となる。

米国特許第５，３４４，６２７号及び米国特許第６，８８３，３２７号はそれぞれ、溶媒による吸収によって排出ガスからＣＯ_２が除去される、従来の蒸気発生プロセスを説明しており、このプロセスにおいては、高圧蒸気タービン又は中圧蒸気タービンからの放出蒸気の一部分が、補助タービンにおいて膨張されて、二酸化炭素圧縮機及び補助機械を駆動する。これらのプロセスを利用することにより、このプロセスにおいて発電される正味電力のコスト、又は正味電力の減少を、ある程度まで最小限に抑えることが可能となる。

本発明の１つの目的は、二酸化炭素除去により生成される電力のコスト又は損失が最小限に抑えられる、オキシ燃料燃焼の方法、及びオキシ燃料燃焼のための発電プラントを提供することである。

本発明の別の目的は、炭素質燃料の燃焼により発電するプロセスを、空気燃焼から二酸化炭素除去を伴う酸素燃焼へと変更して、総コスト及び総損失を最小限に抑える方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、実質的に純粋な酸素により炭素質燃料を燃焼することによって発電する方法が提供され、該方法が、
（ａ）炉内に炭素質燃料を供給する工程と、
（ｂ）酸素供給源から炉内に実質的に純粋な酸素を供給して酸素により燃料を燃焼することにより、主に二酸化炭素及び水を含む排出ガスを生成する工程と、
（ｃ）炉から排出ガス・チャネルを介して排出ガスを排出する工程と、
（ｄ）排出ガス・チャネルの下流部分に配置された複数の排出ガス冷却器を用いることにより、排出ガスから低位熱の総量を回収する工程と、
（ｅ）炉に、及び排出ガス・チャネルの上流部分に配置された熱交換面において高位熱を回収することにより、予熱された給水を蒸気に変える工程と、
（ｆ）複数の排出ガス圧縮機において排出ガスの第１の部分を圧縮して、液体二酸化炭素を生成する工程と、
（ｇ）排出ガス再循環チャネルを介して炉に排出ガスの第２の部分を再循環させる工程と、
（ｈ）発電機を駆動するために蒸気タービンシステムにおいて蒸気を膨張させる工程と、
（ｉ）蒸気タービンシステムから蒸気の総量を抽気し、抽気された蒸気の第１の部分を使用して給水を予熱する工程であって、回収された低位熱の第１の部分は、回収された低位熱の総量の５０％超であり、それにより、抽気された蒸気の第１の部分を最小限に抑えることが可能となる、予熱工程と、
（ｊ）電力プラントの少なくとも１つの圧縮機又は少なくとも１つのポンプを駆動するために、少なくとも１つの補助蒸気タービンにおいて抽気された蒸気の第２の部分を膨張させる工程とを含んでいる。

本発明の別の態様によれば、実質的に純粋な酸素により炭素質燃料を燃焼することにより発電するための発電プラントが提供され、該発電プラントが、
燃料を燃焼するための炉と、
酸素供給源から炉内に実質的に純粋な酸素を供給して酸素によって燃料を燃焼することにより、主に二酸化炭素及び水を含む排出ガスを生成するために、炉に連結された酸素チャネルと、
炉から排出ガスを排出するために炉に連結された排出ガス・チャネルと、
給水を蒸気に変えるための蒸気サイクルであって、高位熱を回収して予熱された給水を蒸気に変えるために、給水を予熱するための節炭器システム及び炉に及び排出ガス・チャネルの上流部分に配置された熱交換面を備える、蒸気サイクルと、
排出ガスから低位熱の総量を回収するために、排出ガス・チャネルの下流部分に配置された複数の排出ガス冷却器であって、これらの排出ガス冷却器の一部分が、節炭器システムを形成する、排出ガス冷却器と、
排出ガスの第１の部分を圧縮して液体二酸化炭素を生成するための、複数の排出ガス圧縮機と、炉に排出ガスの第２の部分を供給するための、排出ガス再循環チャネルと、
発電機を駆動するために蒸気を膨張させるための蒸気タービンシステムであって、蒸気の総量を抽気するための手段を備える、蒸気タービンシステムと、
抽気された蒸気の第１の部分を使用して給水を予熱するための手段であって、節炭器システムは、平常作動状況においては、ガス冷却器により回収されることとなる低位熱の総量の５０％超を節炭器システムにおいて回収するように設計され、それにより、抽気された蒸気の第１の部分を最小限に抑えることが可能となる、給水を予熱するための手段と、
電力プラントの少なくとも１つの圧縮機又は少なくとも１つのポンプを駆動するために、抽気された蒸気の第２の部分を膨張させるための、少なくとも１つの補助蒸気タービンを備えている。

本発明の第３の態様によれば、炭素質燃料を燃焼することにより発電するプロセスを、空気による燃料の燃焼から、実質的に純粋な酸素による燃料の燃焼へと修正する方法が提供され、該修正する方法が、
（ａ）第１の燃料供給量にて炉内に炭素質燃料を供給する工程と、
（ｂ）炉内にある特定の吸入空気温度にて空気を供給して空気により燃料を燃焼することによって、第１の温度範囲の排出ガスを生成する工程と、
（ｃ）炉から排出ガス・チャネルを介して排出ガスを排出する工程と、
（ｄ）排出ガス・チャネルの下流部分に配置された排出ガス冷却器において排出ガスから低位熱の第１の総量を回収する工程であって、低位熱の第１の総量の第１の部分が、給水を予熱するために使用される、回収工程と、
（ｅ）炉に及び排出ガス・チャネルの上流部分に配置された熱交換面において高位熱を回収することにより、予熱された給水を蒸気に変える工程と、
（ｆ）発電機を駆動するために蒸気タービンシステムにおいて蒸気を膨張させ、蒸気タービンシステムから蒸気を抽気する工程であって、抽気された蒸気の少なくとも一部分が、給水を予熱するために使用される、工程とを含む元のプロセスから、
（ａ’）第２の燃料供給量にて炉内に炭素質燃料を供給する工程と、
（ｂ’）ある酸素供給量にて酸素供給源から炉内に実質的に純粋な酸素を供給して酸素により燃料を燃焼することにより、第２の温度範囲にて、主に二酸化炭素及び水を含む排出ガスを生成する工程と、
（ｃ’）炉から排出ガス・チャネルを介して排出ガスを排出する工程と、
（ｄ’）排出ガス・チャネルの下流部分に配置された、変更されたセットの排出ガス冷却器において、排出ガスから低位熱の第２の総量を回収する工程であって、低位熱の第２の総量の第１の部分が、給水を予熱するために使用される、工程と、
（ｅ’）炉に及び排出ガス・チャネルの上流部分に配置された熱交換面において高位熱を回収することにより、予熱された給水を蒸気に変える工程と、
（ｆ’）複数の排出ガス圧縮機において排出ガスの一部分を圧縮して、液体二酸化炭素を生成する工程と、
（ｇ’）排出ガス再循環チャネルを介して炉に排出ガスの別の部分を再循環させる工程と、
（ｈ’）発電機を駆動するために蒸気タービンシステムにおいて蒸気を膨張させる工程と、
（ｉ’）蒸気タービンシステムから蒸気の総量を抽気し、抽気された蒸気の第１の部分を使用して給水を予熱する工程であって、低位熱の第２の総量の第１の部分は、低位熱の第１の総量の第１の部分よりも多く、それにより、抽気された蒸気の第１の部分を最小限に抑えることが可能となる、工程と、
（ｊ’）発電プラントの少なくとも１つの圧縮機又は少なくとも１つのポンプを駆動するために、少なくとも１つの補助蒸気タービンにおいて抽気された蒸気の第２の部分を膨張させる工程とを含んでいる。

以下においては、蒸発過熱面又は蒸発再熱面により高温の燃焼プロセスにおいて回収される熱は、高位熱と呼ばれ、節炭器又は１つ若しくは複数のガス間熱交換器により比較的低温の排出ガスから回収される熱は、低位熱と呼ばれる。

従来の事業用ボイラにおいては、通常は、給水予熱の殆どが、典型的には予熱の７０％超が、蒸気タービンから抽気された蒸気を使用することにより行われ、それに対応して、節炭器による排出ガスの低位熱による予熱の割合は、はるかに低いものとなり、典型的には３０％未満である。節炭器の比較的低度の利用により、通常は、排出ガスの低位熱の殆どは、１つ若しくは複数の再生吸入ガス加熱器又は復熱吸入ガス加熱器において排出ガスから回収される。これに対応して、節炭器において回収される低位熱の部分、すなわち低位熱の第１の部分は、通常は、回収される低位熱の総量の５０％未満となる。

本発明によれば、回収される低位熱の第１の部分は、従来のボイラにおいて回収される低位熱の第１の部分よりも高く、好ましくは、回収される低位熱の総量の５０％超であり、さらに好ましくは、回収される低位熱の総量の８０％超である。有利には、これらの高い熱回収率は、排出ガス・チャネルの下流部分に追加の節炭器面を配置することによって、達成される。したがって、有利には、最後の節炭器面は、排出ガス・チャネル中において、排出ガスの温度が好ましくは２００℃未満である位置、さらに好ましくは１００℃未満である位置に配置される。本発明の有利な一実施例によれば、少なくとも１つの節炭器面が、２つの排出ガス圧縮機の間において、ステージ間冷却器として使用される。

拡張された節炭器面を使用することにより、節炭器により行われる給水加熱の割合が高くなり、これに対応して、抽気された蒸気による給水加熱の必要性が、低減される。有利には、給水加熱の５０％未満が、抽気された蒸気によって達成される。これに応じて、抽気された蒸気の比較的多量の他方の部分、好ましくは５０％超を、すなわち抽気された蒸気の第２の部分を、他の目的のために使用することが可能となる。本発明によれば、抽気された蒸気の第２の部分は、発電プラントの少なくとも１つの圧縮機又は少なくとも１つのポンプを駆動するために、少なくとも１つの補助蒸気タービンにおいて膨張される。

オキシ燃料ボイラについて先に示唆された設計によれば、このボイラにより発電される正味電力は、実質的に純粋な酸素を生成するために必要な、及び液体に圧縮された二酸化炭素を除去するために必要な補助電力により、著しく低減される。本発明の有利な一実施例によれば、排出ガス圧縮機の少なくとも一部分が、補助蒸気タービンの中の１つの機械的エネルギーによって直接的に駆動される。したがって、二酸化炭素を圧縮するための補助電力の必要性が、最小限に抑えられる。酸素供給源が、空気を圧縮するための圧縮機を有する極低音空気分離ユニット（ＡＳＵ）を備える場合には、これらの圧縮機の中の１つ又は複数が、やはり補助蒸気タービンによって直接的に駆動されてよく、それにより、さらに補助電力の必要性が低減される。

節炭器面において低位熱の比較的大部分を回収する直接的な結果として、低位熱の比較的小部分が、排出ガス・チャネルの下流部分に配置されたガス間熱交換器において回収され得ることとなる。本発明の好ましい一実施例によれば、発電プラントは、排出ガスから、再循環される排出ガスへ、又は実質的に純粋な酸素の流れへ熱を伝達するための、ガス間熱交換器を含まない。代替としては、発電プラントは、排出ガスから、再循環される排出ガスへ、又は、再循環される排出ガス及び実質的に純粋な酸素の流れの混合気へ熱を伝達する、ガス間熱交換器を備えてよいが、このガス間熱交換器の効率は、従来の事業用ボイラの典型的な空気加熱器の効率よりも明らかに低い。

本発明によれば、吸入ガスは、炉に供給される、再循環される排出ガス及び典型的には９５％又はそれ以上の純度の比較的高純度の酸素の、それぞれ別個の流れを含むことが可能である。しかし、本発明の有利な一実施例によれば、吸入ガス流は、再循環される排出ガス及び実質的に純粋な酸素の組み合わされた流れである。発電プラントが、排出ガスから炉の吸入ガスに熱を伝達するためのガス間熱交換器を備えないことにより、又は、このような熱交換器の効率が、低いことにより、吸入ガスの温度は、比較的低いままとなる。本発明によれば、炉に供給される際の吸入ガスの温度は、好ましくは２００℃未満であり、さらに好ましくは１００℃未満である。これは、通常は２５０℃から４００℃までであり、典型的には約３００℃である、従来の事業用ボイラにおいて炉に供給される際の吸入ガスの温度よりも、明らかに低い。

比較的高純度の酸素の供給量は、燃料の十分に完全な燃焼を実現するために、燃料供給量に基づいて決定される。通常は、酸素供給量は、排出ガス中の残留酸素の含有量をモニタリングすることによって制御され、適切なレベルに、典型的には約３％に留めるべきである。

吸入ガスが高流量であることにより、吸入ガスの熱含量は、炉の熱収支において著しい影響を有する。吸入ガスが比較的低温であることにより、比較的大量の燃料が、炉に供給されることとなり、それにより、炉において所望の温度が達成される。とりわけ、本発明が、空気燃焼式ボイラから酸素燃焼式ボイラへの改良において使用される場合には、燃料供給量が、好ましくは少なくとも１０％だけ、さらに好ましくは少なくとも１５％だけ上昇される。これにより、本発明によるオキシ燃料燃焼プロセスを利用することにより、従来の空気燃焼を利用することによる場合に比べて、炉内においてより多くの燃料を燃焼させることが可能となる。

有利には、改良されたボイラの炉の温度は、元の蒸気発生量を維持するために、及び、例えば炉壁の腐食又は材料強度の問題などを回避するために、元の空気燃焼式ボイラにおける炉の温度とほぼ同一に保たれてよい。炉における熱伝達が、主に輻射性のものである場合には、炉の温度は、再循環される排出ガスの放射率が高いことにより、元のプロセスにおける炉の温度よりもさらに若干低くなる可能性があるが、依然として熱伝達は、元のレベルに維持される。したがって、本発明を利用することにより、空気燃焼式ＣＦＢボイラ又は空気燃焼式ＰＣボイラは、オキシ燃料燃焼用へと比較的容易に変更することが可能となる。

本発明の好ましい一実施例によれば、改良されたボイラの吸入ガス供給量は、炉内における元のガス速度を維持するように調節される。吸入ガスが、元の吸入空気の温度に比べて比較的低温であるため、燃料供給量は、元の炉の温度を維持するために、元の燃料供給量よりも増加されなければならない。

しかし、主成分として窒素を有する元のプロセスの排出ガスの熱容量と比較した場合に、主成分として二酸化炭素を有する改良されたプロセスの排出ガスの熱容量が比較的高いことにより、排出ガスにより保持される熱の量は、上昇される。これにより、より多量の低位熱を、節炭器における給水加熱のために使用することが可能となる。さらに、これにより、抽気された蒸気の節減がもたらされ、この抽気された蒸気は、補助蒸気タービンにおいて膨張されて、発電プラントの圧縮機及び／又はポンプを駆動させることが可能となり、有利である。

炉内におけるガス速度が、元のレベルに維持される場合には、吸入ガスの酸素含有量は、空気の酸素含有量に近似するものであり、通常は１８％から２８％であると有利である。例えば、燃料供給量が、１７％だけ上昇される場合には、排出ガスの再循環量は、吸入ガスの酸素含有量が約２４％となるように調節されると有利である。これに対応して、燃料に対する吸入ガスの質量流量比は、空気により燃料を燃焼させる場合に使用される燃料に対する質量流量比に比べて、好ましくは少なくとも１０％高く、さらに好ましくは少なくとも２０％高い。

本発明の代替の一実施例によれば、燃料供給量は、所望のレベルに調節され、このレベルは、改良されたボイラにおいては、元の空気燃焼式ボイラにおけるレベルに比べて、好ましくは少なくとも１０％高く、さらに好ましくは少なくとも１５％高い。吸入ガスの炉への供給量は、炉内において予め定められた温度を達成するように決定される。

本発明によるオキシ燃焼発電プロセスの１つの利点は、従来の空気燃焼式ボイラを改良することにより、比較的容易に利用することが可能である点である。有利には、この変更は、極低音空気分離ユニットなどの酸素供給源及び二酸化炭素除去のための装置の実装、並びに、節炭器システムの効率及び排出ガス再循環量の増大を主に含む。これらの変更の結果として、抽気された蒸気の一部分を、発電プラントの圧縮機又はポンプを直接的に駆動させるための機械的エネルギーを生成するために使用することが可能となり、これにより、発電プラントにおいて生成される正味電力の損失が低減される。

有利には、変更された発電プロセスは、元の炉の温度を維持するために、炉の吸入ガスの温度を低減させ、元のプロセスの燃料燃焼量よりも燃料燃焼量を増加させるさらなるステップを含む。したがって、炉に及び主蒸気生成は、ほぼ無変更に留められ得る。しかし、排出ガスの熱容量が上昇することにより、さらに多くの熱を、節炭器面によって回収することが可能となり、さらに多量の抽気された蒸気を、発電される正味電力を増加させるために機械的動力を生成するための補助蒸気発生器において膨張させることが可能となる。

添付の図面と組み合わせて、本発明の現時点において好ましい、しかし例示のものである実施例の以下の詳細な説明を参照することにより、上述の簡単な説明、並びに、本発明の他の目的、特徴、及び利点が、より十分に理解されよう。

本発明によるオキシ燃料燃焼発電プラントの概略図である。

図１は、本発明の好ましい一実施例による発電プラント１０の概略図を示す。発電プラント１０は、ボイラ１２を備え、ボイラ１２は、例えば微粉炭（ＰＣ）ボイラ又は循環流動床（ＣＦＢ）ボイラであってよい。このボイラの炉１４は、従来式の燃料供給手段１６、炉内に酸素含有吸入ガスを案内するための手段１８、及び、吸入ガスの酸素により燃料を燃焼させることによって生成される排出ガスを排出するための排出ガス・チャネル２０を備える。当然ながら、燃料供給手段１６及び吸入ガス供給手段１８などの、ボイラ１２のいくつかの要素の詳細及びタイプは、ボイラのタイプにより決定される。しかし、例えば燃焼装置、微粉炭機、一次吸入ガス及び二次吸入ガスを別個に供給するための手段などのそのような詳細は、本発明に関しては重要ではなく、したがって、図１においては図示されない。

好ましくは、酸素含有吸入ガスは、空気分離ユニット（ＡＳＵ）２４において空気流２２から生成される実質的に純粋な酸素と、排出ガス再循環チャネル２６によって再循環される排出ガスの一部分との混合気である。有利には、排出ガス再循環チャネル２６は、排出ガス再循環量を制御するためのファン２８などの手段を備える。有利には、吸入ガスの再循環量は、吸入ガスの平均Ｏ_２含有量が、空気の平均Ｏ_２含有量に近似するように、好ましくは１８％から２８％までとなるように、調節される。本発明のいくつかの用途においては、再循環される排出ガスの流れ及び実質的に純粋な酸素の流れを、炉１４内に別々に、例えば炉のそれぞれ異なる部分中に案内することもまた可能である。

好ましくは、炉１４の壁部は、予熱された給水を蒸気に変えるために、蒸発熱伝達面３０を形成する管壁構造部として形成される。排出ガス・チャネル２０の上流部分３２が、排出ガスからいわゆる高位熱を回収して蒸気を過熱させるために、過熱熱伝達面３４を備える。簡略化のために、図１は、１つの過熱面のみを図示するが、実際には、通常は、排出ガス・チャネルの上流部分３２は、高位熱を回収するために複数の過熱面及び再熱面を備える。通常は、排出ガスは、過熱面及び再熱面によって、約４５０℃まで冷却される。

最終過熱器３４の下流部分である、排出ガス・チャネル２０の下流部分３６中に流入する排出ガスは、いわゆる低位熱と呼ばれるかなりの量の熱を、依然として保持する。一般的には、可能な限り大部分の低位熱が、ボイラの熱効率を最大限に高めるために、回収されることになる。したがって、排出ガス・チャネル２０の下流部分は、複数の熱伝達面を備え、それらの熱伝達面の中から、最も上流には、最終節炭器面３８が配置され、給水は、蒸発面３０に供給される前に、この最終節炭器面３８において最終温度まで加熱される。

いくつかの用途においては、節炭器３８の下流には、排出ガスからボイラ１２の吸入ガスへ熱を伝達するために、復熱タイプ又は再生熱タイプのものであってよいガス間熱交換器４０が配置されてよい。このような熱交換器は、例えば、微粉炭（ＰＣ）ボイラの一次ガスの加熱のためなどに必要となる場合がある。しかし、本発明の特徴は、ガス間熱交換器の効率が、従来の事業用ボイラにおける効率よりも低い点である。本発明の好ましい一実施例によれば、排出ガスと吸入ガスとの間には、熱交換器が存在しない。とりわけ、回収される排出ガス流及び実質的に純粋な酸素流が、炉内に別々に供給される場合には、実質的に純粋な酸素を供給するためのチャネルがガス間熱交換器を備えないと有利である。

吸入ガスの少量の加熱、さらには吸入ガスの加熱の省略により、吸入ガスは、比較的低温にて炉１４に供給されることとなる。好ましくは、吸入ガスは、２００℃未満の平均温度にて、さらに好ましくは１００℃未満の平均温度にて、炉に供給される。吸入ガスが低温であることにより、燃料及び酸素の供給量がそれぞれ増加し、それによりさらに多くの熱の量が生成されて、炉１４内において適切な温度が維持され得ることとなり、有利である。

図１は、排出ガス・チャネル２０の下流部分３６に、中間節炭器４２、２つの排出ガス圧縮機４４、４６、及び、ステージ間冷却のために圧縮機同士の間に配置された節炭器４８を図示する。本発明の特徴は、節炭器（３８）面の熱伝達効率が、従来の事業用ボイラの蒸気サイクルにおける熱伝達効率よりも高いことである。それに対応して、いくつかの節炭器が、排出ガス・チャネル２０の低温部分に配置され、好ましくは、２００℃未満の温度に排出ガスが冷却される位置に配置され、さらに好ましくは、１００℃未満の温度に排出ガスが冷却される位置に配置される。

ガス間熱交換器が低効率であり、排出ガス・チャネルの下流部分３６に配置された節炭器３８が高効率であることにより、本発明によれば、これらのそれぞれ異なるタイプのユニットへの低位熱の分配は、従来の事業用ボイラの分配とは明らかに異なる。回収された低位熱の、好ましくは５０％超、さらに好ましくは８０％超が、節炭器において回収される。これに対応して、回収された低位熱の、好ましくは５０％未満、さらに好ましくは２０％未満が、ガス間熱交換器において回収される。

通常は、排出ガス・チャネル２０は、排出ガスから粒子及びガス状汚染物質を除去するために種々のユニットを備えるが、それらのユニットは、本発明に関しては重要ではないため、図１には図示されない。オキシ燃料燃焼の主目的によれば、すなわち、排出ガスから二酸化炭素を回収するためには、排出ガス・チャネルの最終部分が、通常は約１１メガパスカルの圧力にて液体二酸化炭素を生成するための手段を備え、それにより、この液体二酸化炭素を、さらなる利用のために、又は適切な場所おける貯蓄のために、輸送することが可能となる。図１は、上述のように有利には節炭器として使用される２つの排出ガス冷却器４２、４８と、排出ガスを冷却及び圧縮するための２つの圧縮機４４、４６とを図示する。通常は、二酸化炭素液化システムは、このシステムの効率を高めるために、実際には３つ以上の冷却ステージ及び圧縮ステージを備え、通常は少なくとも４つのステージを備える。図１においては、ガス冷却器４２は、復水冷却器として図示され、これにより、排出ガスから水が除去される。さらに、通常は、二酸化炭素除去システムは、排出ガスから全ての水を完全に乾燥除去するための手段と、二酸化炭素から酸素及び可能な場合には他の不純物を分離させるための手段とを備えるが、これらは図１には図示されない。これらの乾燥除去用の手段及び分離用の手段はそれぞれ、当技術分野において知られている。

有利には、再循環される排出ガスの含水量は、排出ガスが炉に再循環される前に低減される。したがって、好ましくは、排出ガス再循環ライン２６が、復水冷却器４２の下流にて排出ガス・チャネル２０から分岐される。これにより、再循環されるガスの含水量は、低減され、さらに、炉内の含水量、及び炉から排出される排出ガス内の含水量が、低減される。排出ガスのＯ_２含有量は、燃料の完全な燃焼を十分に保証するために、適切なレベルにて、約３体積％にて維持されなければならないため、含水量の低減により、排出ガス中のＯ_２／ＣＯ_２比が低減される。したがって、炉に乾燥された排出ガスを再循環することにより、二酸化炭素からＯ_２を分離させる負荷及び空気分離ユニット２４のＯ_２負荷が、最小限に抑えられ得る。

過熱された蒸気は、過熱器面３４から案内されて、蒸気タービン５０において膨張されて、発電機５２によって発電が行われる。通常は、事業用ボイラの蒸気タービンシステムは、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、及び低圧蒸気タービンと、高圧タービンと中圧タービンとの間における蒸気再熱とを含む。簡略化のため、及び、蒸気タービンシステムの詳細は本発明に関しては重要ではないため、図１は、１つの蒸気タービンのみを図示する。

ボイラ１２の蒸気サイクルは、従来のように、蒸気タービン５０の下流に復水器５４を備える。復水された蒸気、すなわちその後の蒸気サイクルの給水は、第１の節炭器４８、中間節炭器４２、及び最終節炭器３８において予熱するために、復水器５４から案内されて、蒸発面３０において再度蒸気に変えられる。

さらに、蒸気タービン５０は、タービンから中圧蒸気を抽気するためのライン５６を備える。抽気された蒸気の第１の部分は、給水をさらに予熱するために蒸気加熱器５８へ案内される。通常は、蒸気サイクルは、実際には複数の蒸気抽気ライン及び複数の蒸気給水加熱器を備えるが、図１においては図示されない。しかし、本発明によれば、節炭器が高効率であることにより、抽気された蒸気により給水を予熱する必要性が、最小限に抑えられる。したがって、蒸気加熱器５８の個数は、従来のボイラにおける個数に比べて少なく、又は、蒸気加熱器の使用が、例えば弁６０により最低限に抑えられる。有利には、給水の予熱の５０％未満が、蒸気加熱器５４によって遂行され、予熱の５０％超が、節炭器によって遂行される。

給水の予熱のために抽気された蒸気を使用する必要性が、最低限に抑えられるため、抽気された蒸気の一部分を他の目的のために使用することが可能となり、有利である。本発明によれば、抽気された蒸気の第２の部分は、補助蒸気タービン６２において膨張される。蒸気タービン６２は、抽気された蒸気のエネルギーを、機械的エネルギーに変換し、この機械的エネルギーは、電力プラントの圧縮機又はポンプを直接的に駆動するために使用することが可能であり、有利である。本発明の有利な一実施例によれば、補助蒸気タービン６２は、排出ガス圧縮機４４、４６を直接的に駆動するために使用される。代替的には、補助蒸気タービン６２は、空気分離ユニット４０において圧縮機を直接的に駆動するために使用され得る。

オキシ燃料発電プラントの効率に対する本発明の効果の一実例として、４６０ＭＷｅ超臨界空気燃焼式ＣＦＢボイラの、オキシ燃料燃焼ボイラへの変更を、分析した。本発明の特徴を利用することにより、すなわち、節炭器面を拡張し、燃料供給量を１７％増加させ、低温の乾燥した排出ガスを再循環させて吸入ガスの酸素含有量を２４％とし、ガス流を１４６６ｍ^３／ｓから１５０５ｍ^３／ｓへと若干増加させ、循環流動床の温度を８５５℃から９００℃まで上昇させることにより、プラントの正味電力減少率が、１１．０％となった。これは、対応する従来のオキシ燃料燃焼プロセスによって得られた減少率である２１．４％減よりも明らかに低い。この計算によれば、本発明を利用することにより、ＣＯ_２除去率は、７５．５ｋｇ／ｓから１０６．４ｋｇ／ｓへと上昇し、回収されたＣＯ_２当りのエネルギーの損失は、３３３ｋＷｈ／ｔＣＯ_２から１２６ｋＷｈ／ｔＣＯ_２へと低下した。同時に、ＣＯ_２除去コストは、２７．７ドル／ｔＣＯ_２から１９．９ドル／ｔＣＯ_２へと低下し、エネルギーの総コストは、７．３セント／ｋＷｈから６．５セント／ｋＷｈへと低下した。これは、ＣＯ_２除去を伴わない対応する空気燃焼式発電のエネルギーの総コストである５．０セント／ｋＷｈに極めて近い。

本明細書においては、最も好ましい実施例と現時点において見なされるものに関連して、実例として本発明を説明したが、本発明は、開示された実施例には限定されず、その特徴の様々な組合せ又は修正、及び、添付の特許請求の範囲において規定される本発明の範囲内に含まれる複数の他の適用例を、範囲に含むように意図されることを理解されたい。

Claims (15)

1. 実質的に純粋な酸素により炭素質燃料を燃焼することによって電力プラントにおいて発電する方法であって、
   （ａ）炉内に炭素質燃料を供給する工程と、
   （ｂ）酸素供給源から前記炉内に実質的に純粋な酸素を供給して前記酸素により前記燃料を燃焼することにより、主に二酸化炭素及び水を含む排出ガスを生成する工程と、
   （ｃ）前記炉から排出ガス・チャネルを介して前記排出ガスを排出する工程と、
   （ｄ）前記排出ガス・チャネルの下流部分に配置された複数の排出ガス冷却器を用いることにより、前記排出ガスから低位熱の総量を回収する工程と、
   （ｅ）前記炉に及び前記排出ガス・チャネルの上流部分に配置された熱交換面において高位熱を回収することにより、予熱された給水を蒸気に変える工程と、
   （ｆ）複数の排出ガス圧縮機において前記排出ガスの第１の部分を圧縮して、液体二酸化炭素を生成する工程と、
   （ｇ）排出ガス再循環チャネルを介して前記炉に前記排出ガスの第２の部分を再循環させる工程と、
   （ｈ）発電機を駆動するために蒸気タービンシステムにおいて前記蒸気を膨張させる工程と、
   （ｉ）前記蒸気タービンシステムから蒸気の総量を抽気し、前記抽気された蒸気の第１の部分を使用して給水を予熱する工程であって、前記回収された低位熱の前記第１の部分は、回収された低位熱の前記総量の５０％超であり、それにより、前記抽気された蒸気の前記第１の部分を最小限に抑えることが可能となる、予熱工程と、
   （ｊ）前記電力プラントの少なくとも１つの圧縮機又は少なくとも１つのポンプを駆動するために、少なくとも１つの補助蒸気タービンにおいて前記抽気された蒸気の第２の部分を膨張させる工程と
   を含む、方法。
2. 抽気された蒸気の前記第１の部分が前記給水を予熱するために使用される前記総量の熱の５０％未満を供給する、請求項１に記載の方法。
3. 前記抽気された蒸気の前記第２の部分が前記抽気された蒸気の前記総量の少なくとも５０％である、請求項１に記載の方法。
4. 前記炉に供給される際の前記抽気されたガスの前記第２の部分の温度が２００℃未満である、請求項１に記載の方法。
5. 前記実質的に純粋な酸素は、前記酸素及び前記排出ガスの前記第２の部分が前記炉に供給される前に、前記排出ガスの前記第２の部分と混合されて、吸入ガスを形成する、請求項１に記載の方法。
6. 前記吸入ガスの平均酸素含有量が約１８体積％から約２８体積％である、請求項５に記載の方法。
7. 実質的に純粋な酸素により炭素質燃料を燃焼することにより発電するための発電プラントであって、
   前記燃料を燃焼するための炉と、
   酸素供給源から前記炉に前記実質的に純粋な酸素を供給して前記酸素により前記燃料を燃焼することにより、主に二酸化炭素及び水を含む排出ガスを生成するために、前記炉に連結された酸素チャネルと、
   前記炉から前記排出ガスを排出するために前記炉に連結された排出ガス・チャネルと、
   給水を蒸気に変えるための蒸気サイクルであって、高位熱を回収して予熱された給水を蒸気に変えるために、前記給水を予熱するための節炭器システムと、前記炉に及び前記排出ガス・チャネルの上流部分に配置された熱交換面とを備える、蒸気サイクルと、
   前記排出ガスから低位熱の総量を回収するために、前記排出ガス・チャネルの下流部分に配置された複数の排出ガス冷却器であって、これらの排出ガス冷却器の一部分が、前記節炭器システムを形成する、排出ガス冷却器と、
   前記排出ガスの第１の部分を圧縮して液体二酸化炭素を生成するための、複数の排出ガス圧縮機と、
   前記炉に前記排出ガスの第２の部分を供給するための、排出ガス再循環チャネルと、
   発電機を駆動するために前記蒸気を膨張させるための蒸気タービンシステムであって、蒸気の総量を抽気するための手段を備える、蒸気タービンシステムと、
   前記抽気された蒸気の第１の部分を使用して給水を予熱するための手段であって、前記節炭器システムは、平常作動状況においては、前記ガス冷却器により回収されることとなる低位熱の前記総量の５０％超を前記節炭器システムにおいて回収するように設計され、それにより、前記抽気された蒸気の前記第１の部分を最小限に抑えることが可能となる、予熱手段と、
   前記電力プラントの少なくとも１つの圧縮機又は少なくとも１つのポンプを駆動するために、前記抽気された蒸気の第２の部分を膨張させるための、少なくとも１つの補助蒸気タービンと
   を備える、発電プラント。
8. 前記酸素チャネルは、実質的に純粋な酸素からなる吸入ガス及び前記排出ガスの前記第２の部分を、前記炉に供給するように、前記排出ガス再循環チャネルに連結されている、請求項７に記載の発電プラント。
9. 前記発電プラントは、前記排出ガスから前記吸入ガスへ熱を伝達するためのガス間熱交換器を有さない、請求項８に記載の発電プラント。
10. 炭素質燃料を燃焼することによって発電するプロセスを、空気による前記燃料の燃焼から、実質的に純粋な酸素による前記燃料の燃焼へと修正する方法であって、
    （ａ）第１の燃料供給量にて炉内に炭素質燃料を供給する工程と、
    （ｂ）前記炉内にある特定の吸入空気温度にて空気を供給して前記空気により前記燃料を燃焼することによって、第１の温度範囲の排出ガスを生成する工程と、
    （ｃ）前記炉から排出ガス・チャネルを介して前記排出ガスを排出する工程と、
    （ｄ）前記排出ガス・チャネルの下流部分に配置された排出ガス冷却器において前記排出ガスから低位熱の第１の総量を回収する工程であって、低位熱の前記第１の総量の第１の部分が、給水を予熱するために使用される、工程と、
    （ｅ）前記炉に、及び前記排出ガス・チャネルの上流部分に配置された熱交換面において高位熱を回収することにより、予熱された給水を蒸気に変える工程と、
    （ｆ）発電機を駆動するために蒸気タービンシステムにおいて前記蒸気を膨張させ、前記蒸気タービンシステムから蒸気を抽気する工程であって、前記抽気された蒸気の少なくとも一部分が、給水を予熱するために使用される、工程と
    を含む元のプロセスから、
    （ａ’）第２の燃料供給量にて前記炉内に炭素質燃料を供給する工程と、
    （ｂ’）ある酸素供給量にて酸素供給源から前記炉内に実質的に純粋な酸素を供給して前記酸素により前記燃料を燃焼することにより、第２の温度範囲にて、主に二酸化炭素及び水を含む排出ガスを生成する工程と、
    （ｃ’）前記炉から排出ガス・チャネルを介して前記排出ガスを排出する工程と、
    （ｄ’）前記排出ガス・チャネルの前記下流部分に配置された、排出ガス冷却器の修正されたセットにおいて、前記排出ガスから低位熱の第２の総量を回収する工程であって、低位熱の前記第２の総量の第１の部分が、給水を予熱するために使用される、工程と、
    （ｅ’）前記炉に、及び前記排出ガス・チャネルの前記上流部分に配置された前記熱交換面において高位熱を回収することにより、予熱された給水を蒸気に変える工程と、
    （ｆ’）複数の排出ガス圧縮機において前記排出ガスの一部分を圧縮して、液体二酸化炭素を生成する工程と、
    （ｇ’）排出ガス再循環チャネルを介して前記炉に前記排出ガスの別の部分を供給する工程と、
    （ｈ’）発電機を駆動するために蒸気タービンシステムにおいて前記蒸気を膨張させる工程と、
    （ｉ’）前記蒸気タービンシステムから蒸気の総量を抽気し、前記抽気された蒸気の第１の部分を使用して給水を予熱する工程であって、低位熱の前記第２の総量の前記第１の部分は、低位熱の前記第１の総量の前記第１の部分よりも多く、それにより、前記抽気された蒸気の前記第１の部分を最小限に抑えることが可能となる、工程と、
    （ｊ’）前記発電プラントの少なくとも１つの圧縮機又は少なくとも１つのポンプを駆動するために、少なくとも１つの補助蒸気タービンにおいて前記抽気された蒸気の第２の部分を膨張させる工程と
    を含む修正されたプロセスへと修正する、方法。
11. 前記第２の燃料供給量が前記第１の燃料供給量よりも少なくとも１０％多い、請求項１０に記載の方法。
12. 前記抽気された蒸気の前記第１の部分が、給水を予熱するために使用される前記元のプロセスのステップ（ｆ）における抽気された蒸気の前記部分よりも、少なくとも３０％少ない、請求項１０に記載の方法。
13. 前記炉に供給される際の前記排出ガスの前記第２の部分の温度が前記特定の吸入空気温度よりも低い、請求項１０に記載の方法。
14. 前記修正されたプロセスにおいて、前記実質的に純粋な酸素が、前記酸素及び前記排出ガスの前記第２の部分が前記炉に供給される前に、前記排出ガスの前記第２の部分と混合されて、吸入ガスを形成する、請求項１０に記載の方法。
15. 前記燃料に対する前記吸入ガスの質量流量比が前記元のプロセスにおいて使用される燃料に対する空気の質量流量比よりも少なくとも１０％多い、請求項１４に記載の方法。

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