特許 6239564 高圧酸素燃焼方式の発電ボイラおよび発電プラント、ならびにその動作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6239564

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】高圧酸素燃焼方式の発電ボイラおよび発電プラント、ならびにその動作方法

(51)【国際特許分類】

   F23C 10/16 20060101AFI20171120BHJP

   F23C 10/04 20060101ALI20171120BHJP

   F23L 7/00 20060101ALI20171120BHJP

【ＦＩ】

   F23C10/16

   F23C10/04

   F23L7/00 A

   F23L7/00 Z

【請求項の数】10

【外国語出願】

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-195735(P2015-195735)

(22)【出願日】2015年10月1日

(62)【分割の表示】特願2013-183855(P2013-183855)の分割

【原出願日】2013年9月5日

(65)【公開番号】特開2016-11829(P2016-11829A)

(43)【公開日】2016年1月21日

【審査請求日】2015年10月19日

(31)【優先権主張番号】13/605,299

(32)【優先日】2012年9月6日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】515322297

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(72)【発明者】

【氏名】グレン ディー． ジュッコラ

【審査官】 杉山 豊博

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１９３８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−１４７３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５１３６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２３４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２０５４９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６５０５５６７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開平０３−２９３０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０５８９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２５６８１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｃ １０／１６

Ｆ２３Ｃ １０／０４

Ｆ２３Ｌ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸素燃焼方式循環流動床型の発電プラントであって、
燃焼室、および、当該燃焼室に流体連通されたセパレータを有する循環流動床ボイラと、
前記燃焼室に流体連通された空気分離ユニットと、
前記セパレータに流体連通されており、かつ前記燃焼室に流体連通されている外部熱交換器と
を有し、
前記循環流動床ボイラは、前記燃焼室内における燃焼中に生成された固体物が前記セパレータに入っていくように構成されており、
前記空気分離ユニットは、実質的に純粋な酸素を１バールより高い圧力で前記燃焼室へ供給するように構成されており、
前記外部熱交換器は、前記セパレータにおいて受け取られた固体物の一部が当該外部熱交換器を通って作動流体に熱を伝え、その後、前記燃焼室内における燃焼温度を調整するために前記固体物が前記燃焼室へ戻されるように構成されており、
前記空気分離ユニットから前記燃焼室へ供給される前記実質的に純粋な酸素の圧力は、６〜３０バールの間であり、
前記外部熱交換器は、流動床熱交換器または移動床熱交換器のうち１つまたは複数を含み、
前記発電プラントは高圧型の発電プラントであり、当該発電プラント内では、酸素と、煙道ガスを含む燃焼生成物とは、当該発電プラント全体を通じて加圧された状態のままであり、
復水熱交換器が設けられており、
前記燃焼室内において燃焼中に生成された煙道ガスの一部は加圧されて、導管（５４）を介して前記復水熱交換器に導入され、
前記煙道ガスを受け、二酸化硫黄ポリシングおよび粒子浄化を行う脱硫黄システムをさらに備え、前記燃焼室内における燃焼温度を調整するために、固体物が前記脱硫黄システムから前記燃焼室へ戻され、
前記燃焼室内に硫黄酸化物を吸着する吸着剤が注入され、
前記復水熱交換器からの煙道ガスが前記燃焼室内の吸着剤を流動化させる、
ことを特徴とする酸素燃焼方式循環流動床型の発電プラント。

【請求項2】

前記煙道ガスの前記一部は、前記循環流動床型の発電プラントの温度を上昇させることなく、前記燃焼室へ再循環される、
請求項１記載の酸素燃焼方式循環流動床型の発電プラント。

【請求項3】

酸素燃焼方式循環移動床型の発電プラントであって、
燃焼室と移動床熱交換器とを有する循環移動床ボイラと、
前記燃焼室に流体連通された空気分離ユニットと
を有し、
前記燃焼室が前記移動床熱交換器の上方のタワーに配置されることにより、当該燃焼室内における燃焼中に生成された固体物が下方に流れて前記移動床熱交換器内に入っていくように、前記ボイラは構成されており、
前記空気分離ユニットは、実質的に純粋な酸素を１バールより高い圧力で前記燃焼室へ供給するように構成されており、
前記移動床熱交換器へ入った固体物は、作動流体に熱を伝え、その後、前記燃焼室内における燃焼温度を調整するため、前記固体物は当該燃焼室へ戻され、
前記空気分離ユニットから前記燃焼室へ供給される前記実質的に純粋な酸素の圧力は、６〜３０バールの間であり、
前記発電プラントは高圧型の発電プラントであり、当該発電プラント内では、酸素と、煙道ガスを含む燃焼生成物とは、当該発電プラント全体を通じて加圧された状態のままであり、
さらに復水熱交換器が設けられており、
前記燃焼室内において燃焼中に生成された煙道ガスの一部は加圧されて、導管（５４）を介して前記復水熱交換器へ導入され、
前記煙道ガスを受け、二酸化硫黄ポリシングおよび粒子浄化を行う脱硫黄システムをさらに備え、前記燃焼室内における燃焼温度を調整するために、固体物が前記脱硫黄システムから前記燃焼室へ戻され、
前記燃焼室内に硫黄酸化物を吸着する吸着剤が注入され、
前記復水熱交換器から出てきた煙道ガスの一部は、前記燃焼室内にて吸着剤を流動化して移送するために当該燃焼室へ戻される、
ことを特徴とする、酸素燃焼方式循環移動床型の発電プラント。

【請求項4】

超臨界二酸化炭素タービンを備え、
前記外部熱交換器が、超臨界二酸化炭素を加熱し、
前記超臨界二酸化炭素タービンが加熱された超臨界二酸化炭素により駆動される、
請求項１乃至３のいずれかに記載の酸素燃焼方式循環流動床型の発電プラント。

【請求項5】

前記ボイラへ供給される供給水を加熱するため、前記復水熱交換器にて回収された潜在エネルギーは、前記発電プラント内に設置されたタービンから抽出された蒸気に追加される、
請求項１乃至４のいずれかに記載の酸素燃焼方式循環移動床型の発電プラント。

【請求項6】

前記復水熱交換器から出てきた煙道ガスの一部は、前記燃焼器内にて固体物を流動化して移送するために当該燃焼室へ戻される、
請求項１乃至５のいずれかに記載の酸素燃焼方式循環移動床型の発電プラント。

【請求項7】

高圧酸素燃焼流動床型の発電プラントの動作方法であって、
燃焼室と、当該燃焼室に流体連通されたセパレータとを有する流動床ボイラであって、前記燃焼室内において燃焼中に生成された固体物が前記セパレータに入っていくように構成された流動床ボイラを設置するステップと、
実質的に純粋な酸素を１バールより高い圧力で前記燃焼室へ供給するステップと、
前記セパレータで受け取られた固体物の一部を外部熱交換器に通過させて熱を作動流体に伝えるステップと、
前記燃焼室内における燃焼温度を調整するため、前記固体物を当該燃焼室へ戻すステップと
を有し、
前記燃焼室へ供給される前記実質的に純粋な酸素の圧力は６〜３０バールの間であり、
前記外部熱交換器は、流動床熱交換器および移動床熱交換器のうち１つまたは複数を含み、
酸素と、煙道ガスを含む燃焼生成物とは、当該発電プラント全体を通じて加圧された状態のままであり、
前記動作方法はさらに、
復水熱交換器を設置するステップと、
前記燃焼室内において燃焼中に生成された煙道ガスの一部を加圧して、導管（５４）を
介して前記復水熱交換器に導入するステップと、
脱硫黄システムが前記煙道ガスを受けるステップと、
前記脱硫黄システムが前記煙道ガスの二酸化硫黄ポリシングおよび粒子浄化を行うステップと、
前記燃焼室内における燃焼温度を調整するために固体物を前記脱硫黄システムから前記燃焼室へ戻すステップと、
前記燃焼室内に硫黄酸化物を吸着する吸着剤を注入するステップと、
前記燃焼室内にて吸着剤を流動化して移送するため、前記復水熱交換器から出てきた煙道ガスの一部を前記燃焼室へ戻すステップと、
を有することを特徴とする、高圧酸素燃焼流動床型の発電プラントの動作方法。

【請求項8】

前記循環流動床型の発電プラントの温度を上昇させることなく、前記煙道ガスの前記一部を前記燃焼室へ再循環させる、
請求項７記載の高圧酸素燃焼流動床型の発電プラントの動作方法。

【請求項9】

前記ボイラに供給される供給水を加熱するため、前記復水熱交換器において回収された潜在エネルギーを、前記発電プラント内に設置されたタービンから抽出された蒸気に追加する、
請求項７または８記載の高圧酸素燃焼流動床型の発電プラントの動作方法。

【請求項10】

前記外部熱交換器により、超臨界二酸化炭素を加熱するステップと、
超臨界二酸化炭素タービンを加熱された超臨界二酸化炭素により駆動するステップと、
を有する、
請求項７乃至９のいずれかに記載の高圧酸素燃焼流動床型の発電プラントの動作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エネルギー効率が高い発電プラントに関する。さらに具体的には、本発明は、循環流動床ボイラおよび循環移動床ボイラのうち１つまたは複数を有する高圧酸素燃焼発電プラントに関する。

【背景技術】

【0002】

大気酸素燃焼方式の発電プラントは、生成物である二酸化炭素を隔離したり、または石油増進回復に使用するために、圧縮する必要がある。その結果、大気酸素燃焼方式の発電プラントは、空気分離ユニットとガス処理ユニットとに起因する高い電力消費量を有することになる。このような構成により資本金が高くなり、二酸化炭素捕捉処理がない場合の空気燃焼発電プラントと比較して、プラント熱効率が最大１０％ポイント低くなってしまう。

【0003】

処理終了時点で二酸化炭素を圧縮する以外に、既に圧力を上昇させて酸素および燃料をサイクルに供給する、高圧酸素燃焼方式のボイラおよび発電プラントを構成することができる。このようなボイラおよび発電プラントでは、燃焼前に、ガスに接触するすべての設備のサイズが縮小され、多くの処理改善が‐たとえば伝熱の促進、排熱利用の高効率化、および、排熱回収処理自体にエミッション制御を組み込むこと等が可能になる。

【0004】

公知の高圧酸素燃焼技術の欠点は、この技術すべてが、燃焼温度を制御するために煙道ガス再循環に基づいていることである。この煙道ガス再循環は、煙道ガス再循環ファンのために更なる消費電力を必要とし、燃焼器より下流の煙道ガス導管および汚染制御装置のサイズを増大させることにもなる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の課題は、従来技術の高圧酸素燃焼方式の循環流動床発電プラントや循環移動床発電プラントの上述の欠点を解消することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本願発明は、循環流動床ボイラを有する高圧酸素燃焼方式の循環流動床発電プラントを対象とする。このボイラは燃焼室とセパレータとを有し、この燃焼室はセパレータと流体連通しており、燃焼室内において燃焼中に生成された固体物がセパレータに入るように構成されている。前記発電プラントはさらに空気分離ユニットを有し、この空気分離ユニットは前記燃焼室と流体連通している。空気分離ユニットは、１バールを上回る圧力で、実質的に純粋な酸素を燃焼室へ供給するように構成されている。前記セパレータと燃焼室とに、外部熱交換器が流体連通されている。外部熱交換器は、セパレータで受け取られた固体物の一部が当該外部熱交換器を通って作動流体に熱を伝え、その後にこの固体物が燃焼室へ戻されて、燃焼室内の温度を調整または制御する１次手段となるように構成される。生成ガス（大抵はＣＯ_２およびＨ_２Ｏ）の一部は、流動化のために燃焼室に再循環させることができる。必要な場合には、外部熱交換器内における流動化に再循環ガスを使用することもできる。

【0007】

本発明はさらに、高圧酸素燃焼方式の移動床発電機も対象とする。このプラントは、燃焼室と移動床熱交換器とを有する循環移動床ボイラを含み、燃焼室を、移動床熱交換器より上方のタワーに設置することにより、燃焼室内において燃焼中に生成された固体物が下方の移動床熱交換器に流れ込むように、前記ボイラは構成されている。前記燃焼室には空気分離ユニットが流体連通されており、この空気分離ユニットは、１バールを上回る圧力で、実質的に純粋な酸素を燃焼室へ供給するように構成されている。燃焼中に生成された固体物は移動床熱交換器内に入って作動流体に熱を伝え、この固体物はその後に燃焼室へ戻され、燃焼室内の温度を調整または制御する１次手段となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】高圧酸素燃焼方式の循環流動床発電プラントの概略図である。

【図2】高圧酸素燃焼方式の循環移動床発電プラントの概略図である。

【実施例】

【0009】

以下、添付図面と詳細な説明とにより、上記特徴および他の特徴の実施例を説明する。図面に本発明の実施例を示しており、同様の構成要素には同様の符号を付している。

【0010】

図１に、高圧酸素燃焼方式の循環流動床（ＣＦＢ）発電プラント１０を概略的に示す。発電プラント１０はとりわけ、燃焼室２２とセパレータ２８とを含むＣＦＢボイラ２０を有する。前記燃焼室２２には空気分離ユニット（ＡＳＵ）３０が流体連通されており、実質的に純粋な酸素がＡＳＵ ３０において加圧され、その後に燃焼室２２へ供給される。「実質的に純粋な酸素」との用語は、大気空気中の酸素含有量より格段に高い酸素含有量を含む空気を指す。当業者であれば、供給される空気中の酸素の割合を変化させ、１００％よりも少なくすることも可能であることは明らかである。幾つかの実施形態では、供給される空気は９５％の酸素である。

【0011】

図中の実施形態ではＡＳＵ ３０は、１バールを上回る圧力で、上述の実質的に純粋な酸素を燃焼室２２へ送る。本発明のさらに別の実施形態ではＡＳＵ ３０は、６〜３０バールの間の圧力で、実質的に純粋な酸素を燃焼室２２へ送る。燃料および吸着剤（石灰岩またはドロマイト）はロックホッパ３２または固体ポンプによって乾燥した状態で燃焼室２２へ供給される。たとえばスタメット型（Stamet）である（図１には示されていない）。酸素と、煙道ガス２３を含む燃焼生成物とは、発電プラントサイクル内では加圧された状態のままである。

【0012】

燃焼室２２内での燃焼中には固体物が生成される。この固体物はセパレータ２８によって分離される。これはサイクロンとも称されることがある。この収集された固体物の一部は、導管２４を介して燃焼室２２へ直接戻される。他の残りの固体物は、導管２６を介して外部熱交換器４０を通る。図中の実施形態では、外部熱交換器４０は流動床熱交換器または移動床熱交換器である。この外部熱交換器４０は（導管２６を介して）前記セパレータ２８に流体連通されており、かつ、導管４１を介して燃焼室２２に流体連通されている。前記他の残りの固体物は外部熱交換器４０を通り、そのときにこの固体物からエネルギーが作動流体４３に伝えられる。これは典型的には蒸気である。

【0013】

前記外部熱交換器４０は、流動床熱交換器（ＦＢＨＥ）または移動床熱交換器（ＭＢＨＥ）とすることができる。ＦＢＨＥは通常の技術であるが、連続攪拌型反応器のように振る舞う。それゆえ、混合されたＦＢＨＥ固体物温度は、ＦＢＨＥ固体物放出温度と等しい。このことにより、ＦＢＨＥにおいて実現可能な最大作動流体温度（たとえば蒸気）が制限され、通常の循環流動燃焼温度で６００〜６５０℃を大きく上回るように蒸気を加熱することは困難になる。ＭＢＨＥは、栓流型の逆流伝熱装置である。その対数平均温度差はＦＢＨＥより格段に高いので、ＭＢＨＥは格段に高い温度を実現することができる。ＭＢＨＥでは、Ａ‐ＵＳＣ蒸気条件（７００℃）と同じ温度を実現することができる。いずれの熱交換器でも、循環流動床をより高い温度で動作させると、より高い温度を実現することができる。このことは、特定の燃料を用いてある程度は実現することができる。さらに、加圧動作により、幾らか高い温度を実現することができる。というのも、加圧された状態では硫黄捕捉メカニズムが変化し、この硫黄捕捉メカニズムの最大温度が高くなるからである。

【0014】

ボイラ２０内および外部熱交換器４０内の作動流体４３は、１つの蒸気タービン５８または複数の蒸気タービン５８の直列体を駆動するために使用される。外部熱交換器４０から出てきた、冷却された固体物は、導管４１を通って燃焼室２２へ戻され、ボイラ２０の燃焼室２２内における燃焼温度を調整または制御する１次手段となる。よく知られているように、煙道ガス２３は、硫黄（硫黄酸化物の形態であることが多く、「ＳＯｘ」と称される）、窒素化合物（窒素酸化物の形態であることが多く、「ＮＯｘ」と称される）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および他の微量成分および／または不純物を含み得る。図１に示されているように、燃焼室２２内において燃焼中に生成された煙道ガス２３の一部は、復水熱交換器５０に通される。復水熱交換器５０から出てきた煙道ガス２３の一部は導管５２を介して燃焼室２０へ戻され、燃焼室２０内ではこの煙道ガスは、まず第一に固体物を流動化させて移送する。幾つかの実施形態では、再循環の第一の目的は流動化であるが、再循環された煙道ガスは燃焼室に対して基準冷却を実現し、この基準冷却は、燃焼室の最小限の温度調整では必要とされない。本発明のさらに別の実施形態では、復水熱交換器５０から出てきた煙道ガスの一部は、固体物流動化のために、導管５２および５３を介して流動床型の外部熱交換器へ再循環される。しかし、移動床型の外部熱交換器の場合には、このステップを省略することができる。

【0015】

典型的には、燃焼室２２内において汚染制御が行われる。炉内において、たとえば石灰岩またはドロマイト等の吸着剤をロックホッパまたは他の加圧フィーダ３２から注入することにより、二酸化硫黄（ＳＯ_２）の少なくとも一部が除去される。図１に示された実施形態における比較的低い燃焼温度により、ＮＯｘエミッションが最小限になる。ボイラ２０の下流に最後に二酸化硫黄ポリシングおよび粒子浄化（ＮＩＤ脱硫黄システム６０（以下「ＮＩＤ ６０」という）、ＥＳＰ（図示されていない）、フローパック（Flowpac）（図示されていない）等）を含めたい場合には、含めることができる。これに代わる最後の粒子浄化手段として、キャンドルフィルタもある。復水熱交換器５０において、いかなる残滓ＳＯｘも除去することができる。

【0016】

ここで記載した実施形態は、煙道ガス中の潜在エネルギー（たとえば熱）を回収するために復水熱交換器５０を使用する。導管５４内において１０バールでの水蒸気の露点温度は約１５０℃である。回収されたエネルギー（たとえば熱）は、この温度で非常に有用と成り、供給水ヒータのための抽出蒸気の多くをこの回収エネルギーに置き換えることができる。発電プラント１０は複数の供給水ヒータ７０を有する。これら複数の供給水ヒータ７０は復水熱交換器５０に連通されており（大まかに５１で示している）、これにより、復水熱交換器５０の作動流体５５を供給水ヒータ７０へ送り、タービン５８から抽出される蒸気に追加して使用したり、またはこの蒸気の代わりに前記作動流体５５を用いることが可能である。

【0017】

（通常のランキンサイクルを用いた）高圧酸素燃焼ＣＦＢサイクルの正味発電プラント効率は、瀝青炭に着火させて行われる大気圧酸素燃焼プラントと比較して３〜５％ポイント改善される。亜瀝青炭着火方式の場合には上記の効率の利点は少なくともさらに２％ポイント改善される。というのも、煙道ガスの潜熱は復水熱交換器において高温で回収することができ、これにより、蒸気／水サイクルにおいて潜熱を効率的に利用できるようになるからである。蒸気状態が７００℃にまで上昇すると、熱発電プラント効率はさらに２％ポイント改善される。

【0018】

幾つかの実施形態では、高圧酸素燃焼方式の循環流動床構成をさらに進化させたものを使用し、これらの実施形態では、超臨界二酸化炭素が外部熱交換器にて加熱され、修正ブレイトンサイクルにて超臨界二酸化炭素タービンを駆動する。ここでも、対流路において蒸気が生成され、ランキンボトミングサイクルにて蒸気タービンを駆動する。Ｓ‐ＣＯ_２タービンを駆動するために超臨界二酸化炭素を用いると、サイクル効率はさらに３パーセントポイント改善される。より高いタービンインレット温度と組み合わせると、先進高圧酸素燃焼方式循環流動床サイクルの熱効率は、二酸化炭素捕捉を行わない超臨界微粉炭発電プラントの熱効率に匹敵するか、またはこれを超えることができる。上述の効率改善は、図２および下記の記載にて開示する高圧酸素燃焼式循環移動床１１０にも当てはまる。

【0019】

図２には、高圧酸素燃焼循環移動床発電プラント１１０の一部を概略的に示す。この実施形態は、図１に示した実施形態の構成要素と同様の構成要素を、たとえばタービン５８および復水熱交換器５０を有し、図２を見やすくするため、このような同様の構成要素は示していない。このプラント１１０は、燃焼室１２２と移動床熱交換器１４０とを有する循環移動床ボイラ１２０を含み、燃焼室１２２を、移動床熱交換器１４０より上方のタワーに設置することにより、燃焼室１２２内において生成された固体物が下方向に流れて、管１２４を通って移動床熱交換器１４０に入るように、前記ボイラ１２０は構成されている。

【0020】

前記燃焼室１２２には空気分離ユニット２３０が流体連通されており、空気分離ユニットは、１バールを上回る圧力で、実質的に純粋な酸素を燃焼室へ供給するように構成されている。この実施形態では、空気分離ユニットは実質的に純粋な酸素を６〜３０バールで供給する。酸素と、煙道ガス２３を含む燃焼生成物とは、発電プラントサイクル内では加圧された状態のままである。燃焼プロセスにより固体物が生成され、この固体物は下流へ流れて移動床熱交換器１４０内に入り、作動流体１３２へ熱を伝える。この固体物は移動床熱交換器１４０を通った後、導管１４２を介して燃焼室１２２へ戻り、燃焼室１２２内の燃焼温度を調整または制御するために用いられる。

【0021】

図２に示した構成は、燃焼プロセスと伝熱プロセスとを分離するという手法を採っている。同図中に示した実施形態１１０では、熱移動の多くが移動床熱交換器１４０において生じる。これは、長くされた表面伝熱管１４１を用いる重力流動型の熱交換器である。このプロセスは、燃焼室１２２内の燃焼温度を調整するために煙道ガス１２３の再循環を行う必要がない。というのも、移動床熱交換器１４０から導管１４２を通って出てきた、冷却された固体流を用いるからである。落下するこの固体物が、燃焼ガスのエネルギー（たとえば熱）を回生する。この実施形態のパイロットプラント試験では、燃焼室１２２から出てきた煙道ガス１２３は６５０℃にもなった。出口温度がこのように高いと、この煙道ガスを冷却するために小さい戻り路が必要となる。しかし、再循環される煙道ガス１２５は、燃焼器内にて固体物を流動化して移送するために必要とされる。

【0022】

図２に示した加圧循環移動床方式の酸素燃焼構成は、Ｓ‐ＣＯ_２トッピングサイクルと蒸気ボトミングサイクルとを組み合わせたブレイトントッピングサイクルおよびランキンボトミングサイクルにおいて、または、ランキンサイクルにおいて使用することができる。移動床熱交換器１４０においてＣＯ_２が閉ループで加熱され、これがＳ‐ＣＯ_２タービンを駆動する（図２には示されていない）。ＣＯ_２温度は９００℃にまで高くすることは可能であるが、このように高いタービンインレット温度を実現するためには、タービン材料および冷却技術の改善が必要になる。より低い７００〜８００℃のＣＯ_２温度はより容易に達成でき、Ｎｉ合金を用いた通常の蒸気タービンを、作動流体であるＣＯ_２に合わせて変更すれば、上述のＣＯ_２温度に必要なタービン変更を格段に縮小することができる。他の１つの実施形態では、蒸気／水を移動床熱交換器１４０にて加熱することもでき、場合によっては、燃焼室１２２より下流の戻り路／排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）で蒸気／水を加熱する。ランキンボトミングサイクルを駆動するためにはこの蒸気を用いる。潜在エネルギーを回収するために復水熱交換器を使用し、この回収された潜在エネルギーは、水を予熱するために蒸気／水サイクルへ送られる（図２には示していないが、図１と上記記載にて開示した実施形態と同様のものである）。ＳＯｘエミッションおよびＮＯｘエミッションの一部は、燃焼室において制御される。ＳＯｘポリシングは典型的には、終盤のＮＩＤシステム１６０において行われる。粒子制御再循環１２９は、セパレータ１２８とＮＩＤシステム１６０において行われる。ガス処理ユニット（図２に示されていない）は、ＣＯ_２を隔離のために処理した後に残ったエミッションすべてを浄化する。

【0023】

エミッション制御の上述の手法に代わるものとして、直接接触式復水熱交換器における先行チャンバプロセス反応を利用する手法もある。これは、非常に大きな付加的な開発を必要とし、高圧酸素燃焼サイクルの将来の改善形態であると見なされている。しかし、この開発が成功すれば、低ＮＯｘバーナ、水銀制御システムおよびＷＦＧＤ／ＤＦＧＤが不要となる可能性がある。

【0024】

本発明の高圧酸素燃焼発電プラントの利点の１つとして、圧力が上昇すると伝熱速度が向上するという利点がある。この対流熱伝達率は１０バールで４倍上昇し、全体の熱伝達率は大気圧の約３倍にまで上昇する。このことにより、圧力部品の材料の重量が格段に減少する。

【0025】

本発明の高圧酸素燃焼発電プラントの他の利点として、水蒸気の蒸発の潜熱を復水熱交換器において回収できるという利点がある。これは、圧力が上昇すると水蒸気の露点が格段に上昇し、回収されたエネルギーの有用性が格段に高くなるからである。大気空気着火燃焼方式の露点は約４５℃であり、酸素着火燃焼方式の露点は約９５℃である。高圧酸素燃焼方式では、１０バールの場合、露点温度は約１５０℃にまで上昇する。供給水ヒータ用の抽出蒸気の多くは、復水熱交換器において回収されたエネルギーに置き換えることができる。

【0026】

本発明の高圧酸素燃焼発電プラントの他の利点としては、高圧酸素循環流動床（または循環移動床）における汚染制御の大部分が燃焼室内にて行われるという利点がある。炉内において石灰岩（またはドロマイト）の注入により二酸化硫黄が除去され、それと同時に、比較的低い燃焼温度によってＮＯｘエミッションが最小限になる。最後の二酸化硫黄ポリシングおよび粒子浄化（ＮＩＤ，ＥＳＰ，フローパック等）を、燃焼器より下流に含めることができる。これに代わる最後の粒子浄化手段として、キャンドルフィルタもある。復水熱交換器において、すべての残りのＳＯｘがほぼ除去される。

【0027】

本発明の高圧酸素燃焼発電プラント、とりわけ高圧酸素燃焼方式循環流動床発電プラントの他の利点として、流動床熱交換装置または移動床熱交換器から得られた再循環固体物をボイラが用いて、当該ボイラの燃焼室内における燃焼温度を調整できるという利点もある。流動床熱交換器を使用する場合には、煙道ガス再循環が必要となるのは、固体物の流動化と、燃焼器内での移送と、外部熱交換器での流動化においてのみとなる。

【0028】

本発明の高圧酸素燃焼方式発電プラント、とりわけランキンサイクルを使用する高圧酸素燃焼方式発電プラントの他の利点として、このような発電プラントにより実現される正味プラント効率が、瀝青炭着火方式の場合、大気圧酸素燃焼プラントより３〜５％改善されるという利点がある。亜瀝青炭着火方式の場合には上記の効率の利点は少なくともさらに２％改善される。というのも、煙道ガスの潜熱は復水熱交換器において高温で回収することができ、これにより、蒸気／水サイクルにおいてこの潜熱を効率的に利用できるようになるからである。

【0029】

本発明の高圧酸素燃焼方式発電プラントの他の利点として、高圧酸素循環流動床（または循環移動床）に設置された外部熱交換器（流動床熱交換器または移動床熱交換器）を使用して蒸気を生成できるという利点もある。サイクル構成をさらに発展させたものでは、修正ブレイトンサイクルにおいて超臨界二酸化炭素タービンを駆動するために、外部熱交換器において超臨界二酸化炭素が加熱される。ここでも、対流路では蒸気が生成され、ランキンボトミングサイクルにて蒸気タービンを駆動する。Ｓ‐ＣＯ_２タービンを駆動するために超臨界二酸化炭素を用いると、サイクル効率はさらに３％改善される。より高いタービンインレット温度と組み合わせると、先進高圧酸素燃焼方式サイクルの熱効率は、二酸化炭素捕捉を行わない超臨界微粉炭（ＳＣＰＣ）発電プラントの熱効率に匹敵するか、またはこれを超えることができる。

【0030】

本発明の高圧酸素燃焼発電プラントはさらに、ガス処理体積量が低減することにより、装置のサイズおよびコストが削減されるという利点も奏する。よって、装置サイズが小さくなることにより資本コストおよび運営費用を格段に削減し、汚染制御およびＧＰＵ設備に課される要件を緩和させることが可能となる。

【0031】

種々の実施例を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を施したり、上記実施例の構成要素と同等のものに置き換えることが可能であることは明らかである。さらに、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、特定の状況や材料を本発明の思想に合わせて、種々の変更を施すことも可能である。したがって、本発明は、本発明の最良の実施形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に該当するすべての実施形態を含むものである。

【符号の説明】

【0032】

１０ 高圧酸素燃焼方式の循環流動床（ＣＦＢ）発電プラント
２０ ＣＦＢボイラ
２２，１２２ 燃焼室
２３，１２３ 煙道ガス
２８ セパレータ
３０ 空気分離ユニット
４０ 外部熱交換器
４３，１３２ 作動流体
５０ 復水熱交換器
５８ タービン
７０ 供給水ヒータ
１１０ 高圧酸素燃焼式循環移動床発電プラント
１２０ 循環移動床ボイラ
１４０ 移動床熱交換器
１４１ 表面伝熱管

【図1】

【図2】