ホーム > 特許ランキング > セッグ パワー アーエス
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-12-07
(54)【発明の名称】水素燃料ガスタービン発電システム及びその運転方法
(51)【国際特許分類】
C01B 3/36 20060101AFI20221130BHJP
C01B 3/12 20060101ALI20221130BHJP
F02C 7/22 20060101ALI20221130BHJP
F01K 23/10 20060101ALI20221130BHJP
【ＦＩ】
C01B3/36
C01B3/12
F02C7/22 B
F01K23/10 T
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2022513663
(86)(22)【出願日】2020-08-19
(85)【翻訳文提出日】2022-04-15
(86)【国際出願番号】 NO2020050208
(87)【国際公開番号】W WO2021040528
(87)【国際公開日】2021-03-04
(31)【優先権主張番号】20191038
(32)【優先日】2019-08-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】NO
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522076125
【氏名又は名称】セッグ パワー アーエス
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ラーヘイム、アーン
(72)【発明者】
【氏名】ディ ジュリオ、ニコラ
(72)【発明者】
【氏名】リェンゲン、キャスリン
(72)【発明者】
【氏名】モウィル、フレドリック
【テーマコード（参考）】
3G081
4G140
【Ｆターム（参考）】
3G081BA02
3G081BA14
3G081BC07
4G140EA03
4G140EA06
(57)【要約】
圧縮機（２２）、燃焼器（２４）、タービン（２６）及び燃料供給装置（１０）を備える水素燃料ガスタービン動力システム。燃料供給装置（１０）は、吸収強化水蒸気メタン改質（ＳＥ－ＳＭＲ）及び／又は合成ガスの吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ）に基づく少なくとも１つの反応器（１２）を有する水素ガス生成反応器システムの形態を有している。反応器（１２）は、反応器（１２）と再生器（１４）との間でＣＯ２吸収剤を循環させて再生する再生器（１４）に閉ループで接続されている。さらに、水素ガス生成反応器システム（１０）の再生器（１４）と、水素燃料ガスタービン（２０）の燃焼器（２４）の下流側端部及び水素燃料ガスタービンのタービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間に、閉じた熱交換ループ（２１）が存在することにより、再生器（１４）内の温度を上昇させると共に、水素燃料ガスタービン（２０）のタービン（２６）の上流側端部の温度を低下させる。また、その使用方法も企図されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧縮機（２２）、燃焼器（２４）、タービン（２６）及び燃料供給装置（１０）を主要部とする水素燃料ガスタービン発電システムであって、前記タービン（２６）は、電気エネルギーの形態で発電するための補助手段への接続に適合しており、
前記燃料供給装置（１０）は、ｉ）メタンの吸収強化水蒸気メタン改質（ＳＥ－ＳＭＲ）をサポートすることができる反応器、及びｉｉ）合成ガスの吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ）をサポートすることができる反応器、又はこれら２つの組み合わせからなる群から選択される、少なくとも１つの反応器（１２）を有する水素ガス生成反応器システムの形態を有しており、
前記反応器（１２）は、前記反応器（１２）と再生器（１４）との間でＣＯ２吸収剤を循環させて再生する前記再生器（１４）に閉ループで接続されており、
前記水素ガス生成反応器システム（１０）の前記再生器（１４）と、水素燃料ガスタービン（２０）の前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンのタービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間に、閉じた熱交換ループ（２１）が存在することにより、前記再生器（１４）内の温度を上昇させると共に、前記水素燃料ガスタービン（２０）の前記タービン（２６）の上流側端部の温度を低下させることを特徴とする、
水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項2】
前記反応器（１２）が、メタンリッチ供給源から、合成ガス供給源から、又はメタンリッチ供給源と合成ガス供給源との組み合わせから、ガスフローを受け取るように適合された入口導管を有する、請求項１に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項3】
前記反応器（１２）が、蒸気の供給源を受け入れるように適合された入口導管を有する、請求項１又は請求項２に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項4】
前記熱交換システム（２１）のための熱交換媒体が、少なくとも１５００℃までの温度を取り扱うことができる熱交換媒体の中から選択される、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項5】
前記タービンから高温の排出ガスを受け取り、内部で生成された蒸気を蒸気タービン（３２）に供給して追加的に発電するように構成された蒸気発生器（３０）をさらに備える、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項6】
前記水素ガス生成反応器システム（１０）の前記再生器（１４）と、前記水素燃料ガスタービン（２０）の前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンの前記タービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間の前記閉じた熱交換ループ（２１）が、前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記タービンの上流側端部と実質的に同じ直径を有する中空リングの形状を有し、前記燃焼器（２４）と前記タービン（２６）との間に接続され、かつ前記燃焼器（２４）と前記タービン（２６）とを橋渡しするように配置された要素（２８、２８’、２８”）を備える、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項7】
中空リング状の前記要素（２８、２８’及び２８”）は、交換可能である、請求項６に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項8】
中空リング状の前記要素（２８、２８’及び２８”）は、共通の直径で異なる幅の一連のリングとして設けられる、請求項６に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項9】
前記水素ガス生成反応器システム（１０）の前記再生器（１４）と、前記水素燃料ガスタービン（２０）の前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンの前記タービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間の前記閉じた熱交換ループ（２１）が、前記タービン（２６）に入る前に前記燃焼器（２４）からの排出ガスを冷却するように配置された専用の熱交換器（７８）を備える、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項10】
水素燃料ガスタービン発電プラントで発電するための方法であって、メタンリッチガス及び合成ガスもしくはそれらの組み合わせからなる群から選択されるガスを、ｉ）メタンの吸収強化水蒸気メタン改質（ＳＥ－ＳＭＲ）をサポートすることができる反応器、及びｉｉ）合成ガスの吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ）をサポートすることができる反応器からなる群から選択される少なくとも１つの反応器を備える水素ガス生成反応器システムに、供給することと、
ＳＥ－ＳＭＲ及びＳＥ－ＷＧＳからなる群から選択される少なくとも１つの反応によって供給された前記ガスを水素に変換し、天然又は合成のＣａＯ含有ＣＯ２吸収剤によって前記反応器内でＣＯ２を回収することと、
少なくとも８５０℃の温度で純粋なＣＯ２を放出する再生ステップを介してＣＯ２吸収剤を再利用することと、
前記水素燃料ガス生成反応器システム内で生成された水素ガスを、圧縮空気と共にガスタービンの燃焼器に供給し、この組み合わされた燃料混合物を用いてタービンに動力供給することと、
を含み、
前記燃焼器と前記ＣＯ２吸収剤の前記再生ステップとの間で熱交換を行うことにより、前記ＣＯ２吸収剤の前記再生ステップにおける最低温度レベルを保証することを特徴とする、
方法。
【請求項11】
前記熱交換は、前記再生ステップにおいて少なくとも８７２℃の温度を保証する方法で制御される、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
反応器１２で発生した熱（１１）が、外部目的のためのエネルギー源として使用される、請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記熱（１１）は、固体炭素質材料のガス化に使用される、請求項１２に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、請求項１に記載の前文により示される水素燃料ガスタービン発電システムに関する。別の態様によれば、本発明は、請求項１０に記載の前文により示される水素燃料ガスタービン発電プラントにおいて電力を生成する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
二酸化炭素の回収・貯留（ＣＣＳ：Carbon Capture and Storage）は、燃料の燃焼中に発生するＣＯ２（例えば、ガス、液体炭化水素、石炭、バイオマス）及びＣＯ２排出産業（鉄鋼、アルミニウム、シリコン、フェロシリコン、セメントなど）から発生するＣＯ２を分離することによって、人為的な気候変動の悪影響を緩和するために開発されている一連の技術を構成する。ＣＯ２の回収は、３つの主要な方法、即ち、燃焼後回収（post-combustion）、燃焼前回収（pre-combustion）、及びほぼ純粋な酸素中での燃焼によって行うことができる。分離されたＣＯ２は、利用することができ、及び／又は地層に封じ込めることができる。
【0003】
燃焼前回収の状況において、水素や水素リッチなガスは、従来のガスタービンには高すぎる燃焼温度になってしまうという歴史的経緯がある。
【0004】
しかしながら、燃料と空気のプレ混合、水素リッチ燃料用のバーナの開発、高温材料系（母合金／超合金、ボンドコート及び遮熱コーティング）の開発などの近年の技術開発により、水素燃料ガスタービンに使用するための燃焼前のＣＯ２の回収が可能となった。
【0005】
水素－燃料は、吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ：Sorption Enhanced Water Gas Shift 及び/又は吸収強化水蒸気メタン改質（ＳＥ－ＳＭＲ：Sorption Enhanced Steam Methane Reforming)として知られているプロセスにより、クリーンで脱硫された合成ガス（任意の起源の）から、或いは天然ガスと水とから効率的に（１つのプロセスステップで）製造することができる。上記プロセスは、吸収強化改質（ＳＥＲ：Sorption Enhanced Reforming）とも呼ばれ、ＣＯ２吸収剤としてＣａＯを使用することを特徴とする（国際公開第２０１１／０７８６８１号、及び米国エネルギー省を参照）。また、上記プロセスは、燃焼後回収の場合は、カルシウムルーピング（Ca-looping, Dean at al.: 2011）とも呼ばれる(欧州特許出願公開第１４９５７９４号)。
【0006】
（使用する燃料に依存して）以下の反応が起きる。
ａ）水素は合成ガス（水素とＣＯの含有量が変化するガス）から生成され、吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ）は、以下の反応によって例示される。
ＣａＯ＋ＣＯ＋Ｈ２＋Ｈ２Ｏ＝ＣａＣＯ３＋２Ｈ２
ａ）水素は合成ガス（水素とＣＯの含有量が変化するガス）から生成され、吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ）は、以下の反応によって例示される。
ＣａＯ＋ＣＯ＋Ｈ２＋Ｈ２Ｏ＝ＣａＣＯ３＋２Ｈ２
【0007】
ｂ）水素は天然ガス（主にＣＨ４）から生成され、吸収強化水蒸気メタン改質（ＳＥ－ＳＭＲ）は、以下の反応によって例示される。
ＣａＯ＋ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ＝ＣａＣＯ３＋４Ｈ２
ＣａＯ＋ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ＝ＣａＣＯ３＋４Ｈ２
【0008】
ｃ）水素は合成ガス及び天然ガス（又はメタンリッチなガス）の混合物から生成され、以下の「式」（バランスがとれていない）に従って発生する。
ＣａＯ＋ＣＯ＋Ｈ２＋ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣａＣＯ３＋Ｈ２
ＣａＯ＋ＣＯ＋Ｈ２＋ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣａＣＯ３＋Ｈ２
【0009】
すべての反応の温度は５００℃～６５０℃である。これらの反応はわずかに発熱性であり、水を加えること、又は熱交換によって冷却する必要がある可能性がある。反応ｃ）は、反応ａ）と反応ｂ）の和を表す。ＣａＯ－ＣＯ２吸収剤の量が反応中のすべての炭素を収容できるほど多い場合、すべての反応は、水素製造ユニットに導入される燃料混合物中の合成ガス及び天然ガスの割合にかかわらず、同じ生成物（炭酸カルシウム（calcite）及び水素）をもたらすであろう。
【0010】
水素製造ユニットには、ＣＯ２吸収剤の再生器（カルサイナ（calciner））が含まれ、水素製造プロセスで発生した固体の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）は、以下の反応に従って再生される。
ＣａＣＯ３＝ＣａＯ＋ＣＯ２
ＣａＣＯ３＝ＣａＯ＋ＣＯ２
【0011】
炭化水素燃料（又はＣＯを含有する燃料）を使用せずに、この高吸熱プロセス（約８５０～９５０℃が必要である）を実施する場合、ＣＯ２の総量は「純度１００％」で回収され、利用及び／又は貯蔵され得る。
【0012】
この吸熱再生プロセスを、持続可能なコスト及びエネルギー効率で実施することが非常に重要である。これは、熱又は廃熱を提供することによって達成することができ、熱又は廃熱は、２つの異なる方法で、即ち、直接的又は間接的に伝達することができる。直接的な熱伝達は、燃料の酸素燃焼を伴うため、空気分離ユニット（ＡＳＵ）の使用が必要である。間接的な熱交換では、再生装置に高温の熱交換器を組み込む必要がある。この熱は、高温燃料電池（ＳＯＦＣ）から取り出すことができる（国際公開第２０１１／０７８６８１号と同様）
【0013】
別の選択肢としては、国際公開第０１／４２１３２号に非常に簡単に示唆されているように、炭酸カルシウムを焼成するために高温発電装置を使用することが考えられる。しかしながら、この刊行物は、このような焼成をどのように実施すべきかに関しては言及していない。
【0014】
この技術分野におけるその他の刊行物は、米国特許出願公開第２００８／１５５９８４ 号、米国特許出願公開第２００７／０１３０９５７号、米国特許出願公開第２００８／０１４１６４３号、米国特許出願公開第２００８／０１６１４２８号、及び米国特許第５４９０３７７号である。
【0015】
従来の天然ガスタービンは、温度が低すぎてＣａＯ－ＣＯ２吸収剤の再生反応が効率的に行われない可能性がある。一方、水素燃料ガスタービンでは、燃焼器端部及びタービン入口の温度が高温になるという問題があるが、効率的な熱交換ループによって生じる冷却の恩恵を受ける可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
本発明の目的は、持続可能な条件下で運転することができる、コスト効率及びエネルギー効率が高い水素燃料ガスタービン発電プラントを提供することである。また、水素燃料ガスタービンの燃焼器端部及び／又は入口における過度の温度の問題を緩和することが、派生的な目的である。
【0017】
さらに、このような発電プラントの運転方法を提供することが、派生的な目的である。
【0018】
本質的な目的は、ＣＯ２が非常に効果的に回収されるような発電プラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0019】
上記の目的は、第１の態様に係る請求項１により定義される水素燃料ガスタービン発電プラントで構成される本発明によって達成される
【0020】
別の態様によれば、本発明は、請求項１０により定義される方法に関する。
【0021】
好ましい実施形態は、従属請求項によって開示される。
【0022】
持続可能性は、本発明が統合的なＣＯ２回収を可能にするという事実によって例示される全体的なプロセスのためのキーワードであり、共通項である。水素燃料ガスタービンの燃焼器の端部及び／又はタービンの入口である一方の側と、再生器（又は焼成器）である他方の側との間の熱伝達ループは、燃焼器の下流側端部又はタービンの入口にある中空リング状の区画を含んでいる。熱伝達媒体は、例えば、水素、水蒸気、ＣＯ２、空気、ヘリウム、混合ガスや鉱物油などの流体、炭化水素、及び様々な種類の溶融塩とすることができる。
【0023】
したがって、本発明によれば、ＣａＯ吸収剤の再生に必要な高温は、温度が１８００℃～１９００℃に達する可能性のある水素燃料ガスタービンの燃焼器の下流側（高温）端部又はタービンの上流側端部と、ＣａＯ吸収剤の再生器との間の、特別に設計された熱交換ループによって保証される。
【0024】
水素燃料ガスタービンを含むガスタービンは、多数の異なる構成及び全体設計を包含し、本発明はこれらのすべての構成及び設計に適応可能であることに言及する価値がある。例えば、ガスタービンの燃焼器チャンバ（複数可）に関して、１つ又は複数の燃焼器チャンバは、いくつかの実施形態において、圧縮機とタービンとの間の環状チャンバとして形成され、圧縮機及びタービンの軸と共通の軸を有することができる。他の実施形態では、燃焼器チャンバは、２つ以上の別々の燃焼器チャンバに分割することができ、燃焼器チャンバの各々は、圧縮機及びタービンの軸からオフセットして配置される。したがって、２つ、３つ又は４つの別々の容器（can）である燃焼器チャンバは、圧縮機とタービンとを接続する軸の周りに並列に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【発明を実施するための形態】
【0026】
本発明の様々な実施形態を、添付の図面を参照して以下に説明する。
【0027】
さて、図１を参照すると、発電システムは一般に、水素燃料ガスタービン２０と燃料供給装置１０とによって構成されている。燃料供給装置１０は、主として、ｉ）水（Ｈ２Ｏ）３と、図１の実施形態ではメタン（ＣＨ４）又はメタンリッチガスであるベース燃料１とを受け入れるように配置された反応器又は改質器１２と、ii）再生器１４とから構成されている。水素燃料ガスタービン２０は、主要部品である、ｉ）圧縮機２２と、ii）反応器１２からの水素（Ｈ２）１７のフローと、圧縮機２２からの圧縮空気２３とを受け取るように構成された燃焼器２４（端部に熱交換用の円筒形の区画を有する。）と、iii）燃焼器２４から高温燃焼ガス２５を受け取り、それによって電気２９を生成するように構成されたタービン２６とから構成されている。タービンは、電気エネルギーの生成に加えて、様々な目的のために機械装置を推進することもできる。
【0028】
更に図１を参照すると、燃料改質装置１０は、水素製造のＳＥ－ＳＭＲ（又はＳＥＲ）法に基づくものであり、ＣＯ２燃焼前の状況に配置されている。ＣａＯ含有ＣＯ２吸収剤（CaO containing CO2-absorbent）の再生器１４と、水素燃料ガスタービン燃焼器２４の高温（下流側）端部とＣＯ２吸収剤の再生器１４との間の間接的な熱伝達システム２１とは、ＣＯ２の放出に必要な熱を供給し、再生器１４から実質的に純粋なＣＯ２のフロー１９が排出されることを可能にする。
【0029】
間接的な熱伝達システム２１によって伝達された熱は、燃焼器２４の下流側端部のリング状部材２８によって集められ、再生器１４の熱交換器内で放出されて、水素ガス生成反応システム（１０）の再生器（１４）と、水素燃料ガスタービン（２０）の燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンのタービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間に、閉じた熱交換ループ（２１）を形成している。
【0030】
ＣＨ４燃料フロー１は、燃料を改質し、改質プロセスＳＥ－ＳＭＲ（又はＳＥＲ）で放出されるＣＯ２を、ＣａＯ含有吸収剤によって処理するように構成された水素－燃料供給システムの一部である反応器１２に供給される。図１の実施形態では、燃料がメタン又は天然ガスなどのメタンリッチガスである。実質的に純粋な水素１７のガスが改質器ユニットから出る。反応器１２において、改質のプロセスは、燃料（ＣＨ４）、水（水蒸気）及びＣａＯの間の反応を含み、ＣａＯは発熱反応においてＣａＣＯ３に変換される。改質プロセスでＣＯ２から生成されたＣａＣＯ３は、次に、説明する吸熱プロセスでＣａＯに再生される。また、反応器１２には、気化した状態の水３が供給される。
【0031】
実質的に純粋な水素ガス１７は、改質器を出て、水素燃料ガスタービンの燃焼器２４（又は燃焼器領域）に供給される。水素燃料ガスタービン２０の圧縮機２２からの圧縮空気２３も、燃焼器２４に供給される。水素ガス１７と圧縮空気２３とは、燃焼器２４に供給される前に、予め混合されていてもよい（図示せず）。混合物は、高温、典型的には約１８００℃～１９００℃の温度で燃焼される。
【0032】
タービン２６に入る高温高圧ガスのストリーム２５は、タービン内で膨張して電気を発生させる。
【0033】
上述したように、改質器ユニット内で生成されたＣａＣＯ３１３は反応器１２内でＣＯ２捕捉剤（CO2 capturing agent）として再利用するために、ＣａＯ１５に再生される必要がある。これは、水素－燃料供給装置１０の第２の部分を形成する再生器１４で行われる。
【0034】
ＣａＣＯ３の再生は、効率的に運転するために約８５０℃～９５０℃の温度を必要とする。これは、エネルギーを消費する吸熱プロセスである。常圧では、このプロセスは約８７０℃以上の温度で実施される。したがって、これは好ましい実施形態である。このプロセスに必要なエネルギー、即ち、熱は、本発明によれば、水素燃料ガスタービンの燃焼器２４によって提供される。閉じた熱ループは、例えば水素を熱媒体とし、燃焼器２４の高温端部と、燃料供給装置システムのエネルギーが必要な再生器１４との間を循環する。この熱ループは、以下の２つの機能を有する。
【0035】
１）ＣａＯ含有ＣＯ２吸収剤の再生に必要な約９００℃の十分な熱を供給することと、２）タービンへの希釈空気の必要性を減らすことにより、水素燃料ガスタービンの長期安定使用に対して許容できるレベルまで、関連するタービン部分の冷却を助けること。
【0036】
閉ループの熱交換媒体は、燃焼器２４で経験される温度を取り扱うことができる任意の媒体とすることができ、好ましくは、約１８００℃～１９００℃の温度を取り扱うことができるべきである。
【0037】
この燃焼前ＣＯ２回収プロセスからのＣＯ２総量は、再生器から放出され、回収され、貯蔵され、及び／又は利用される。
【0038】
５００℃を超える温度でタービン２６から排出される高品質の排出ガス２７（Ｎ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２）は、任意選択で、様々な目的に使用することができる。発熱性のＳＥ－ＳＭＲ反応からの熱１１も、同様に、任意の用途を有する。熱１１は、例えば、ガス化プラントにおいて使用されて、固体炭素質材料を合成ガスや天然ガスなどのより容易に利用可能なガスに変換することができる、或いは、圧縮機２２からの空気を予め加熱するために使用されてもよい。
【0039】
次に、発電プラントを示す図２に注目すると、この発電プラントでは、水素燃料ガスタービンは、ＣＯ２燃焼前の状況に配置された合成ガスに基づく燃料改質装置（即ち、水素製造のＳＥ－ＷＧＳ法）と組み合わされている。ＣａＯ含有ＣＯ２吸収剤の再生器１４と、水素燃料ガスタービンの燃焼器２４とＣＯ２吸収剤の再生器１４との間の間接的な熱交換システム２１とは、吸収剤再生のための熱を供給し、ＣＯ２の回収、貯蔵、及び／又は利用のためにＣＯ２１９を放出する。
【0040】
図２ａの構成要素のほとんどは、図１の構成要素と同じである。図１と図２との違いは、主に、水素ガス燃料供給装置に供給される燃料１’が合成ガスであることである。さらに、熱伝達システム２１のリング状部材２８’は、図１に示すリング状部材２８よりも幾分幅が広く、燃焼器２４から出る高温の燃焼ガス２５との接触面積が広くなり、それによって、より高い熱伝達率を可能にする。
【0041】
図２ｂは、本質的に図２ａと同じであるが、その違いは、熱伝達システムのリング状部材２８”が、一部が燃焼器２４の下流側領域を、一部がタービン２６の上流側端部を覆うか又は構成し、それによって高温燃焼ガス２５との接触表面積をさらに増加させていることである。
【0042】
合成ガスが燃料である実施形態について示されているが、リング状部材２８、２８’及び２８”の異なる実施形態は、燃料としての天然ガス又は２種類の燃料の組合せについても同様に機能することを理解されたい。
【0043】
次に、発電プラントを示す図３に注目すると、ここでは、水素燃料ガスタービンで使用するために、燃焼前の状況にある水素が、ＳＥ－ＳＭＲ水素製造法によって製造されている。この実施形態では、タービンから出る高温の排出ガスからの熱は、蒸気タービン３２によって追加の電力／電気２９’を生産するための高圧蒸気発生用に回収される。
【0044】
図３の構成要素のほとんどは、図１の構成要素と同じである。図１と図３との違いは、主に、蒸気タービン３２によって追加の電力が生成されることであり、コンバインドサイクルと呼ばれる構成である。この目的のために、タービン２６から出る高温の排出ガスを使用して蒸気発生器３０で蒸気を発生させ、発生した蒸気が蒸気タービン３２に供給される。
【0045】
次に、発電プラントを示す図４に注目すると、ここでは、水素燃料ガスタービンで使用するために、ＳＥ－ＷＧＳ水素製造法において、燃焼前の状況にある水素が合成ガスから製造されている。この実施形態では、タービン２６から出る高温の排出ガス２７からの熱は、蒸気タービンによって追加の電力／電気を生産するための高圧蒸気発生用に回収される。
【0046】
図４の構成要素の大部分は、図２ａ及び図２ｂの構成要素と同じである。図２ｂと図４との違いは、図３を参照して既に説明したように、主に、蒸気タービン３２と組み合わせた蒸気発生器３０によって追加の電力２９’が生成されることであり、コンバインドサイクルと呼ばれる構成である。
【0047】
【0048】
次に、発電プラントを示す図５に注目すると、ここでは、水素燃料ガスタービンで使用するために、燃焼前の状況にある水素を、ＳＥ－ＳＭＲ水素製造方法によって天然ガス（又はメタン）の供給源から、又はＳＥ－ＷＧＳ水素製造方法によって合成ガスの供給源から、又はそのような供給源の任意の組合せから代替的に製造することができる。先の実施形態を参照して説明したように、ＣａＯ含有ＣＯ２吸収剤の再生器１４と、水素燃料ガスタービンの燃焼器２４とＣＯ２吸収剤の再生器１４との間の間接加熱伝達システム２１とは、ＣａＯの再生と、回収、貯蔵及び／又は利用のためのＣＯ２の放出とに熱を供給する。ＣＯ２回収のためのシステムは、先のすべての実施形態で説明したものと同じである。
【0049】
図５では、共通の反応器／改質器１２が２種類の原料ガスを受け入れるように図示されている。これは、ＳＥ－ＳＭＲ改質反応とＳＥ－ＷＧＳ反応とが、同じ反応器中で同じ条件下で同時に行われることを意味する。これは問題を構成しないことが見出された。代替案として、ＣＨ４及び合成ガスの各原料ガスに対して、別々の反応器／改質器が使用されてもよい。そのような場合、２つの反応器が、共通の再生器に接続されてもよいし、又は別々の再生器に接続されてもよい。しかしながら、最もシンプルな構成は、図示された構成である。
【0050】
図５はまた、外部利用のための別のＨ２のフロー１６を示しており、本発明の方法及び装置により電気、熱及び高品質水素の形態でエネルギーを同時に生産できるという事実を図示している。
【0051】
ＣａＯ含有吸収剤は、単に天然の岩石／鉱物から得られたＣａＯをベースとするものであってもよいが、例えば、国際公開第２０１１／００５１１４号に記載されている種類の、合成的に製造されたＣａＯ含有吸収剤であってもよい。このような合成吸収器の利点は、大きな吸収能力を失うことなく、多数回の再生サイクルに耐えることである。
【0052】
図６ａ及び図６ｂは、図２ａ及び図５に示すリング状部材２８’の２つの代替的な構成を示す。図６ａに示す構成では、リング状部材２８’への入口２８１とリング状部材２８’からの出口２８２とが互いに隣接しており、熱伝達流体は、リング状部材内部の空隙全体にわたって、一方向に略一周して流れる。リング状部材２８’ａの内部には、燃焼器２４からタービン２６に向かう途中で高温の燃焼ガス２５が接触する表面積を増大させる役割を果たすリブ２８３が設けられていてもよいし、リブ２８３が設けられていなくてもよい。圧縮機及びタービンを通るガスフローの方向において、そのようなリブは、リング状部材の延長部に対応するか、又はそれよりも小さい延長部を有することができる。リブ２８３が存在する場合、リブ２８３のサイズ及びプロファイルは、利用可能なスペースに適合されることになる。リブ２８３の半径方向の延長部は、リブ２８３のサイズだけでなく、リブ２８３の空気力学的特性を最適化するために、その厚さと同様にその長さに沿って変化し得る。任意選択で、リブは、通過するガスフローとの接触を増大させるために、その長さに沿ってわずかに湾曲させることもできる。リブの少なくとも一部は、その断面の一部を占める羽根（vanes）が存在しないタービンの長手方向の領域に配置することができる。
【0053】
図６ｂにおいて、リング状部材２８’ｂへの入口２８１及びリング状部材２８’ｂからの出口２８２は、それぞれの反対側に位置しており、入口からリング状部材２８’ｂ内の空隙に入った熱伝達流体は、２つの部分流に分岐されて、各部分流はリング状部材２８’ｂの反対側の出口に向かって半円を描いて流れる。
【0054】
示されたすべての実施形態について、リング状部材２８、２８’及び２８”は、示された構成のいずれかにおいて、さらには他の構成においても、入口及び出口を有することができる。さらに、リング状部材は、例えば、ネジ等で燃焼器２４及びタービン２６に接続可能な構成とする等、摩耗した場合に交換可能となるように設計及び構成されていてもよい。
【0055】
リング状部材２８、２８’及び２８”は、水素燃料ガスタービンに組み付けられると、その一部となり、燃焼器２４の下流側端部、タービン２６の上流側端部、又はこれら２つの間の接続部材と見なすことができる。
【0056】
リング状部材２８、２８’及び２８”の材料は、許容可能な熱伝導率と、高温に対する許容可能な耐性とを兼ね備えた材料の中から選択される。したがって、上述したような燃焼器やタービンの壁に対して一般的に選択される材料は、有望な候補である。
【0057】
図７は、燃焼器に関して、これまでの実施形態とは異なる本発明の実施形態を示しており、図７の実施形態では、燃焼器は、圧縮機２２とタービン２６との間で軸からオフセットされた２つの別々の燃焼器チャンバ２４ａ、２４ｂによって構成されている。また、先に特徴２８、２８’及び２８”として表されている熱交換要素は、圧縮機２２とタービン２６との間で軸からオフセットされた熱交換器７８によって置き換えられている。前記軸線からオフセットされた熱交換器７８の配置は、タービンの長さ寸法の増大に寄与しないことを意味し、様々なタイプ及びサイズの熱交換要素の使用を可能にし、したがってシステムの汎用性を大幅に向上させる。この組み合わせにより、再生器１４に伝達される熱の微調整を可能にする方法でシステムを設計することが容易となる。図７では、高温ガス２５ａが燃焼器２４ａから熱交換器７８に導かれ、同じガスが熱交換器７８から若干低い温度でガスフロー２５ｂとして排出され、次いでタービン２６に導かれる。当然ながら、燃焼器２４ａ、２４ｂから熱交換器７８を通り、さらにタービン２６へと至る流路は、許容可能なほど低い圧力降下を伴う、高速で効率的なガスフローに対応するように、その形状及び寸法が決められなければならない。
【0058】
本発明のすべてのバージョンでは、例えば、要素２８、２８’及び２８”又は７８によって達成されるものよりも高温の部分を冷却するために、説明され、図示され、及び／又は特許請求されたものに対して追加の熱交換要素を設置することができる。
【0059】
タービン設計には安全対策が不可欠であり、本明細書では説明しないが、タービンが速度超過になるのを防止するために、例えば、負荷遮断時や緊急停止中に即座に燃料を遮断する対策など、主にこの技術分野の標準に従うことになる。通常運転中に熱交換器に蓄積されるエネルギー量が大きいため、このような状況でタービンが速度超過にならないように、追加の安全対策を講じることができる。
【0060】
本発明は、燃焼器から取り出された熱を、温度要件が（また）課題であるＣＯ２吸収体用の再生器において最も効率的な方法で利用する方法で、水素燃料ガスタービン発電プラントの燃焼器とタービンの改良された温度制御を可能にする、独特な技術の組み合わせである。これは、このような発電所でＣＯ２を回収する最も効率的な方法であるＣＯ２の燃焼前回収システムで実現される。従来技術に対する利点のこの独特の組み合わせにより、本発明の方法及びシステムは、相乗効果のある発明の好適な例となる。
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6a】
【図6b】
【図7】
【手続補正書】
【提出日】2021-08-27
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧縮機（２２）、燃焼器（２４）、タービン（２６）及び燃料供給装置（１０）を主要部とする、燃焼前ＣＯ
２
回収型の水素燃料ガスタービン発電システムであって、前記タービン（２６）は、電気エネルギーの形態で発電するための補助手段への接続に適合しており、
前記燃料供給装置（１０）は、ｉ）メタンの吸収強化水蒸気メタン改質（ＳＥ－ＳＭＲ）をサポートすることができる反応器、及びｉｉ）合成ガスの吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ）をサポートすることができる反応器、又はこれら２つの組み合わせからなる群から選択される、少なくとも１つの反応器（１２）を有する水素ガス生成反応器システムの形態を有しており、
前記反応器（１２）は、前記反応器（１２）と再生器（１４）との間でＣａＯ含有ＣＯ２吸収剤を循環させて再生する前記再生器（１４）に閉ループで接続されており、
前記水素ガス生成反応器システム（１０）の前記再生器（１４）と、水素燃料ガスタービン（２０）の前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンのタービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間に、閉じた熱交換ループ（２１）が存在することにより、前記再生器（１４）内の温度を約９００℃に上昇させると共に、前記水素燃料ガスタービン（２０）の前記タービン（２６）の上流側端部の温度を低下させて、関連するタービン（２０）の部分を前記水素燃料ガスタービンの長期安定使用に対して許容できるレベルまで冷却することを特徴とする、
水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項2】
前記反応器（１２）が、メタンリッチ供給源から、合成ガス供給源から、又はメタンリッチ供給源と合成ガス供給源との組み合わせから、ガスフローを受け取るように適合された入口導管を有する、請求項１に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項3】
前記反応器（１２）が、蒸気の供給源を受け入れるように適合された入口導管を有する、請求項１又は請求項２に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項4】
前記熱交換システム（２１）のための熱交換媒体が、少なくとも１５００℃までの温度を取り扱うことができる熱交換媒体の中から選択される、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項5】
前記タービンから高温の排出ガスを受け取り、内部で生成された蒸気を蒸気タービン（３２）に供給して追加的に発電するように構成された蒸気発生器（３０）をさらに備える、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項6】
前記水素ガス生成反応器システム（１０）の前記再生器（１４）と、前記水素燃料ガスタービン（２０）の前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンの前記タービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間の前記閉じた熱交換ループ（２１）が、前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記タービンの上流側端部と実質的に同じ直径を有する中空リングの形状を有し、前記燃焼器（２４）と前記タービン（２６）との間に接続され、かつ前記燃焼器（２４）と前記タービン（２６）とを橋渡しするように配置された要素（２８、２８’、２８”）を備える、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項7】
中空リング状の前記要素（２８、２８’及び２８”）は、交換可能である、請求項６に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項8】
中空リング状の前記要素（２８、２８’及び２８”）は、共通の直径で異なる幅の一連のリングとして設けられる、請求項６に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項9】
前記水素ガス生成反応器システム（１０）の前記再生器（１４）と、前記水素燃料ガスタービン（２０）の前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンの前記タービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間の前記閉じた熱交換ループ（２１）が、前記タービン（２６）に入る前に前記燃焼器（２４）からの排出ガスを冷却するように配置された専用の熱交換器（７８）を備える、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項10】
燃焼前ＣＯ
２
回収を伴う水素燃料ガスタービン発電プラントで発電するための方法であって、メタンリッチガス及び合成ガスもしくはそれらの組み合わせからなる群から選択されるガスを、ｉ）メタンの吸収強化水蒸気メタン改質（ＳＥ－ＳＭＲ）をサポートすることができる反応器、及びｉｉ）合成ガスの吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ）をサポートすることができる反応器からなる群から選択される少なくとも１つの反応器を備える水素ガス生成反応器システムに、供給することと、
ＳＥ－ＳＭＲ及びＳＥ－ＷＧＳからなる群から選択される少なくとも１つの反応によって供給された前記ガスを水素に変換し、天然又は合成のＣａＯ含有ＣＯ２吸収剤によって前記反応器内でＣＯ２を回収することと、
少なくとも８５０℃の温度で純粋なＣＯ２を放出する再生ステップを介してＣＯ２吸収剤を再利用することと、
前記水素燃料ガス生成反応器システム内で生成された水素ガスを、圧縮空気と共にガスタービンの燃焼器に供給し、この組み合わされた燃料混合物を用いてタービンに動力供給することと、
を含み、
前記燃焼器と前記ＣＯ２吸収剤の前記再生ステップとの間で熱交換を行うことにより、前記ＣＯ２吸収剤の前記再生ステップにおける最低温度レベルを保証することを特徴とする、
方法。
【請求項11】
前記熱交換は、前記再生ステップにおいて少なくとも８７２℃の温度を保証する方法で制御される、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
反応器１２で発生した熱（１１）が、外部目的のためのエネルギー源として使用される、請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記熱（１１）は、固体炭素質材料のガス化に使用される、請求項１２に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】2022-05-10
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧縮機（２２）、燃焼器（２４）、タービン（２６）及び燃料供給装置（１０）を主要部とする、燃焼前ＣＯ２回収型の水素燃料ガスタービン発電システムであって、前記タービン（２６）は、電気エネルギーの形態で発電するための補助手段への接続に適合しており、
前記燃料供給装置（１０）は、ｉ）メタンの吸収強化水蒸気メタン改質（ＳＥ－ＳＭＲ）をサポートすることができる反応器、及びｉｉ）合成ガスの吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ）をサポートすることができる反応器、又はこれら２つの組み合わせからなる群から選択される、少なくとも１つの反応器（１２）を有する水素ガス生成反応器システムの形態を有しており、
前記反応器（１２）は、前記反応器（１２）と再生器（１４）との間でＣａＯ含有ＣＯ２吸収剤を循環させて再生する前記再生器（１４）に閉ループで接続されており、
前記水素ガス生成反応器システム（１０）の前記再生器（１４）と、水素燃料ガスタービン（２０）の前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンのタービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間に、閉じた熱交換ループ（２１）が存在することにより、前記再生器（１４）内の温度を９００℃に上昇させると共に、前記水素燃料ガスタービン（２０）の前記タービン（２６）の上流側端部の温度を低下させて、関連するタービン（２０）の部分を前記水素燃料ガスタービンの長期安定使用に対して許容できるレベルまで冷却することを特徴とする、
水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項2】
前記反応器（１２）が、メタンリッチ供給源から、合成ガス供給源から、又はメタンリッチ供給源と合成ガス供給源との組み合わせから、ガスフローを受け取るように適合された入口導管を有する、請求項１に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項3】
前記反応器（１２）が、蒸気の供給源を受け入れるように適合された入口導管を有する、請求項１又は請求項２に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項4】
前記熱交換ループ（２１）のための熱交換媒体が、少なくとも１５００℃までの温度を取り扱うことができる熱交換媒体の中から選択される、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項5】
前記タービンから高温の排出ガスを受け取り、内部で生成された蒸気を蒸気タービン（３２）に供給して追加的に発電するように構成された蒸気発生器（３０）をさらに備える、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項6】
前記水素ガス生成反応器システム（１０）の前記再生器（１４）と、前記水素燃料ガスタービン（２０）の前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンの前記タービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間の前記閉じた熱交換ループ（２１）が、前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記タービンの上流側端部と実質的に同じ直径を有する中空リングの形状を有し、前記燃焼器（２４）と前記タービン（２６）との間に接続され、かつ前記燃焼器（２４）と前記タービン（２６）とを橋渡しするように配置された要素（２８、２８’、２８”）を備える、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項7】
中空リング状の前記要素（２８、２８’及び２８”）は、交換可能である、請求項６に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項8】
中空リング状の前記要素（２８、２８’及び２８”）は、共通の直径で異なる幅の一連のリングとして設けられる、請求項６に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項9】
前記水素ガス生成反応器システム（１０）の前記再生器（１４）と、前記水素燃料ガスタービン（２０）の前記燃焼器（２４）の下流側端部及び前記水素燃料ガスタービンの前記タービン（２６）の上流側端部の少なくとも一方との間の前記閉じた熱交換ループ（２１）が、前記タービン（２６）に入る前に前記燃焼器（２４）からの排出ガスを冷却するように配置された専用の熱交換器（７８）を備える、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の水素燃料ガスタービン発電システム。
【請求項10】
燃焼前ＣＯ２回収を伴う水素燃料ガスタービン発電プラントで発電するための方法であって、メタンリッチガス及び合成ガスもしくはそれらの組み合わせからなる群から選択されるガスを、ｉ）メタンの吸収強化水蒸気メタン改質（ＳＥ－ＳＭＲ）をサポートすることができる反応器、及びｉｉ）合成ガスの吸収強化水性ガスシフト（ＳＥ－ＷＧＳ）をサポートすることができる反応器からなる群から選択される少なくとも１つの反応器を備える水素ガス生成反応器システムに、供給することと、
ＳＥ－ＳＭＲ及びＳＥ－ＷＧＳからなる群から選択される少なくとも１つの反応によって供給された前記ガスを水素に変換し、天然又は合成のＣａＯ含有ＣＯ２吸収剤によって前記反応器内でＣＯ２を回収することと、
少なくとも８５０℃の温度で純粋なＣＯ２を放出する再生ステップを介してＣＯ２吸収剤を再利用することと、
前記水素ガス生成反応器システム内で生成された水素ガスを、圧縮空気と共にガスタービンの燃焼器に供給し、この組み合わされた燃料混合物を用いてタービンに動力供給することと、
を含み、
前記燃焼器と前記ＣＯ２吸収剤の前記再生ステップとの間で熱交換を行うことにより、前記ＣＯ２吸収剤の前記再生ステップにおける最低温度レベルを保証することを特徴とする、
方法。
【請求項11】
前記熱交換は、前記再生ステップにおいて少なくとも８７２℃の温度を保証する方法で制御される、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
反応器１２で発生した熱（１１）が、外部目的のためのエネルギー源として使用される、請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記熱（１１）は、固体炭素質材料のガス化に使用される、請求項１２に記載の方法。
【国際調査報告】