How to take advantage of waste heat energy in the power plant

【発明の詳細な説明】 動力装置における廃熱エネルギーの活用方法 本発明は、発電所のような動力装置(power plant)における廃熱エネルギーの活用方法に関し、更に詳細には、発電所のような動力装置における廃熱エネルギーの活用方法にして、ガスタービン運転工程からの温暖媒体Ａ，及び返送媒体Ｂ により、本発明による方法の臨界圧より高い圧力を有する媒体Ｂを、並列する熱交換器内で加熱し、続いて、媒体Ｂを合流させ、熱交換器で返送媒体Ｂにより更に加熱し、この媒体Ｂをタービン又は燃焼室を経た媒体Ａによりボイラー内で更に加熱し、タービン内で膨張させて臨界圧より低い圧力にし、上記の熱交換器の工程に返送し、そして該媒体Ｂをコンデンサー内で液体に凝縮し、次いでポンプで臨界超過圧まで加圧することを包含する方法において、媒体Ｂを、並列する熱交換器内で臨界超過温度まで、又は媒体Ｂがすでに臨界超過温度を有している場合には更に高い温度まで、加熱し、それにより、エンタルピーの差（エネルギーバランスにおけるエネルギーギャップ）が、廃熱エネルギーにより同等にされる（補償される）ことから、或る温度差に相当するエンタルピーの差が、タービンに続く場所における圧力下でのエンタルピーの差より大きくなることを特徴とする方法に関する。 従来、熱発電所では、化石燃料や原子力によって、より近代的な発電所では太陽電池や地熱エネルギーによって発電している。 発電所において用いられる基本的な方法は、ガスタービン法、水蒸気発電法、又はそれらを組み合わせたものである。 原子力発電の問題点として、放射性廃棄物や高価な初期投資費用が挙げられる。 化石燃料を用いる発電の問題点として、大気中への排気により起こる酸性雨や温室効果が挙げられる。 更に、上記の発電所は両方とも、事故による危険性、再生不可能な天然資源の消費といった問題点を有する。 全ての熱発電所は、これに加え、低温エネルギーを発電に活用できないため、比較的に効率が低いという問題も有する。 本発明による発電所では、上記の欠点が改善され、非常に効率よく発電でき、下記の多くの利点を有する。 例えば、燃料消費が少ないこと、事故の危険が低いこと、廃棄物の少ないこと、大気中への排気の少ないことが挙げられる。 これに加え、本発明による装置は、旧型発電所において廃熱エネルギーを活用して作動するように建造することが容易であるので、旧型発電所の建て替えが容易である。 水蒸気発電法における廃熱エネルギーは、タッピング(tappings)の数を増やすことで活用することができる。 この際、必要に応じて、コンデンサーを通過する流量を初期状態（ゼロ） に戻すことができる。 燃焼により生成される水蒸気の凝縮温度は、天然ガスの純度が高いので、図８による発電所では最も効果的に活用できるため、本発明は、 天然ガスを用いる場合に特に適している。 液化されて臨界超過圧まで圧縮した媒体Ｂを加熱するためには、主に低温領域において、低圧力の返送媒体Ｂが放出する量より多くのエネルギーが必要である、という事実に本発明は基づいている。 臨界温度に近いガスはこのような特徴を有する。 従って、従来の熱発電所の廃熱エネルギーは、並列する熱交換器によって非常に効率良く活用することができる。 本発明がＯＲＣ法（例えば、ＵＳ Ａ ３ ７６９ ７８９）と異なる点は、媒体Ｂが、熱交換器（２、３）を通過した後、臨界超過温度になるため、大量のエネルギーを必要とする蒸発に相当するエンタルピー増加が、ポンプ（１）の後に位置する並列する熱交換器において主に達成されるということである。 従って、外部のエネルギーを本発明の方法によって活用することができる。 これは、熱交換器（２、３）がボイラーに接合していないことを意味する。 ＯＲＣ法では、液体の予熱がこの段階に相当する。 本発明を、ガスタービン法と水蒸気発電法と比較してみる。 この際、理想的な熱交換器を備える閉鎖型ガスタービン法、及び簡単な水蒸気発電法を比較の対象とする。 これら２つの方法の違いを以下に述べる。 ガスタービン法でのタービンからの動力は、系に導入された熱エネルギーの量と同等である。 しかし、エネルギーの大部分は、圧縮器による媒体の加圧に用いられる。 一方、水蒸気発電法では、蒸発によって大量のエネルギーが消費されるため、熱エネルギーは、タービン内では一部しか活用することができない。 しかし、加圧に必要なエネルギーの量は少ない。 従って、タービンの羽根が冷却される必要を考慮に入れた場合、タービンの効率に関しては、水蒸気発電法はガスタービン法に相当している。 しかし、媒体の加圧の一部をポンプによって行うことができるため、加圧に必要なエネルギーの量はガスタービン法に比べてかなり低い。 上記のことは、特に図４（又は図８）による構造についてあてはまる。 本発明の方法に非常に適した媒体である二酸化炭素は、環境に無害であり、入手も容易である。 必要な最高圧力を得るには、現在、水蒸気発電法においてそれに相当する圧力が既に用いられているため、技術的に高度なものを必要としない。 媒体Ｂに適当なものを選ぶことによって、高い発電量を維持した状態で、コンデンサーの廃熱を例えば地域暖房に活用することができる。 本発明は更に、例えばダブルサブスタンス法（double substance process）等の従来法に比べ低温エネルギーをうまく活用することができるため、固形燃料の脱気に適している。 圧縮器の冷却中に生じた廃熱も、本発明の方法により効率よく活用することができる。 本発明は、２つの異なる熱源を用いる発電所にも適している。 本発明の方法には圧縮器を省略できるという利点もある。 更に、経済的に有利な発電所の大きさは、広範囲にわたる。 媒体Ｂの圧力が比較的高いために、発電所が小規模でもよい、ということも重要である。 閉鎖二酸化炭素サイクル内で、酸素によって可燃物を燃焼させる場合、多くの利点がある。 燃焼中に窒素酸化物を生成せず、又、生成した二酸化炭素を実際に分離することができ、温室効果を軽減できる。 空気中の窒素とアルゴンを同時に分離することができ、所望によっては、液体酸素を分離することもできる。 従来法（必要に応じて、本発明による装置によって、熱力自体を、発電に利用することができる）よりもかなり大量の（高温の）熱力が、最大発電において得られ、その際のエネルギーの損失も、従来法に比べ少ない。 他の長所としては、水処理、水蒸気タービン（及びそれに関連する発生器）、及び煙突を必要としないことが挙げられる。 将来的には、本発明の操作時間は長くなるであろう。 これは、核融合により生じる熱を図４による発電所にうまく用いると、空気を予熱する必要がなくなるからである。 将来的には、更に太陽やバイオマスといった補充可能な資源も、本発明の方法による熱源として適するであろう。 本発明の主な目的は、発電所のような動力装置における廃熱エネルギーを従来の方法より効率良く活用する新規な方法、同時に、燃焼中に生成する二酸化炭素の経済的な分離を可能にする方法を提供することにある。 この目的を達成するために、本発明の方法は請求項１に記載された特徴を有する。 下記は、図の詳細な説明である。 図１は（ガスタービン法を廃熱エネルギー源とする）本発明による発電所のフローチャートであり、 図２は、（水蒸気発電法を廃熱エネルギー源とする）本発明による発電所のフローチャートであり、 図３は天然ガスの加圧に用いられる本発明による動力装置のフローチャートであり、 図４は（媒体Ｂの加圧の際に生ずる熱を廃熱エネルギー源とする）本発明による方法であり、 図５は図１中の条件部分（condition points）の値の表であり、 図６は図１中の熱交換をエンタルピー（ｈ）と温度（Ｔ）で示したグラフであり、 図７は（ガスタービン法を廃熱エネルギー源とする）本発明の構成の概略図であり、 図８は閉鎖二酸化炭素サイクル内で可燃物を酸素によって燃焼する動力装置のフローチャートであり、及び 図９は、図８による動力装置のフローチャートであって、過剰な廃熱エネルギーを図１による方法により活用する方法を示す。 図１による発電所は、ポンプ（１）、熱交換器（２、３、４）、ボイラー（５ ）、タービン（６）、コンデンサー（７）、圧縮器（８）、熱交換器（９）、燃焼室（１０、１２）、及びタービン（１１）を包含する。 媒体Ｂはこの例では二酸化炭素である。 媒体Ａは開放型ガスタービン法におけるものに対応するものである。 しかし原理的には、媒体Ａ及び媒体Ｂを状況に最も適するように、所望によって選択しうる。 圧縮器（８）で加圧した空気を熱交換器（９）に送り、ガスタービン運転工程からの排ガスにより予熱する。 次に空気は燃焼室（１０）を経て、タービン（１ １）に入る。 タービン（１１）内で膨張した空気（排ガス）は燃焼室（１２）を経てボイラー（５）に入り、次に上記の熱交換器（９）に入り空気を予熱する。 これらは全て実施されており既知のものである。 本発明により導入される新規なことは、以下の通りである。 熱交換器（９）からの排ガスが、熱交換器（２）で、ポンプ（１）により臨界超過圧まで加圧した二酸化炭素を予熱し、同時に返送二酸化炭素が、熱交換器（２）に並列する熱交換器（３）の二酸化炭素を加熱する。 この後、臨界超過圧にある二酸化炭素を合流させ、その二酸化炭素を熱交換器（４）で、臨界超過圧より低い圧力を有する返送二酸化炭素により更に加熱する。 次に、二酸化炭素をボイラー（５）内で更に加熱し、タービン（６）内で膨張させて臨界超過圧より低い圧力にする。 膨張後、二酸化炭素を上記の熱交換器（４、３）へ返送する。 更に、気体状の二酸化炭素をコンデンサー（７）で凝縮して液体にし、ポンプ（１）によって臨界超過圧まで加圧する。 このように、二酸化炭素の処理サイクルは閉じている。 図２に、廃熱エネルギーを水蒸気発電法から得る、本発明による処理サイクルを示す。 ボイラー（５）に空気予熱器を備えている以外は、二酸化炭素サイクルは図１と同様である。 水蒸気サイクルにおいて、減圧弁（１５）から水を給水タンク（１６）に入れ、タービン（１４） からの水蒸気と混合しながら加熱する。 次に、水をポンプ（１７）により所望の圧力に加圧し、その後、熱交換器（１８）でタービン（１４）のブリード（blee ding）によって加熱し、更に、熱交換器（１９）においてタービン（１４）のブリードによって加熱する。 熱交換器（１９、１８）からの返送液を給水タンク（ １６）に入れる。 熱交換器（１９）を通過後、水サイクルを分岐させ、水の一部をボイラー（５）に入れ蒸発させ、過熱して、タービン（１４）に入れる。 残りの水を熱交換器（２）に入れ、その水により二酸化炭素を予熱し、その後水を減圧弁（１５）に戻す。 二酸化炭素の加熱段階はボイラー（５）でも行われる。 図３に、天然ガスの加圧に用いられる動力装置のフローチャートを示す。 二酸化炭素を媒体として用いる処理サイクルは、ボイラー（５）に空気予熱器を備えている以外は、図１と同様である。 天然ガスを、タービン（６）により発生するエネルギーを補助に、圧縮器（２０）により加圧し、加熱した天然ガスにより熱交換器（２）で二酸化炭素を加熱する。 この処理サイクルは所望によっては発電に用いることができる。 図４に、二段階膨張からなる処理サイクルを示す。 二酸化炭素の加圧の一部を圧縮器（２５）により行い、圧縮器（２５）で加熱した二酸化炭素の熱は熱交換器（２）に活用できる。 ボイラー（５）が必要に応じて空気予熱器を備えている以外は、二酸化炭素サイクルは図１と同様である。 二酸化炭素をボイラー（５）で加熱し、タービン（６）に送る。 タービン（２３）内でも、二酸化炭素を膨張させる。 二酸化炭素をタービン（２３）から熱交換器（４、 ３）に返送し、予冷器（２４）で更に冷却する。 二酸化炭素がタービン（２３） 内で膨張し、達成可能な凝縮温度に相当する圧力より低い圧力になるため、二酸化炭素は圧縮器（２５）に入る。 圧縮器（２５）で加熱した二酸化炭素を熱交換器（２）で冷却し、コンデンサー（７）に入れ液化する。 液化した二酸化炭素をポンプ（１）によって臨界超過圧まで加圧する。 図５に、図１中の条件部分（condition points）の値を表にして示す。 単純化をはかるため、空気そのままを媒体Ａとして用いた。 タービンの等エントロピーブリード比（isoentropic breeding ratio）として９０％を用い、熱交換器の圧力降下として３％を用い、熱交換器の回復率として９０％を用いた。 図６に、図１中の点Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤにおけるエンタルピー（ｈ）と温度（Ｔ ）の関係を表したグラフを示す。 明確化のために、熱交換器（２、３、４）及びボイラー（５）は、１つの熱交換器に換算してある。 図７に、図１の数多くの応用例の１つを示す。 ボイラー（５）がガスタービン法の燃焼室に対応している点で図１の処理サイクルとは異なる。 このように燃焼室（１０）をボイラー（５）に置き換えると燃焼室（１２）は必要なくなる。 この結合様式は実際に、水冷式ＰＦＢＣコンビ加熱式発電所（water-cooled PFBC combi healing power plant）の結合様式に対応している。 図８に、本発明ではおそらく最も競合的な構造である基本的な処理サイクルを示す。 燃焼に必要な酸素を閉鎖二酸化炭素サイクルに導入する。 熱交換器による処理サイクルよりも高い最高温度がガスタービン法で得ることができるので、酸素の導入は処理サイクルの最高温度を上昇させるには自然な手段である。 これは物質の耐久性のためである。 更に、水蒸気の凝縮熱は、動力発生の処理サイクルに活用することができる利点があり、更には、燃焼中に窒素酸化物を生成せず、 燃焼で生成された二酸化炭素を経済的に分離できる等の利点がある。 当然、圧縮器で失われた熱も動力発生の処理サイクルに活用できる。 媒体Ｂすなわち二酸化炭素の加圧の一部をポンプ（１）により行い、その際、加圧に必要なエネルギーは減少する。 本発明の技術は酸素の分離過程に用いることができる。 空気の予冷段階以前に、分離過程で液化した酸素がポンプで最大圧力に加圧された場合、ある温度差に相当するエンタルピーの差がポンプの後の箇所の圧力下よりも大きくなるため、液化酸素の一部を処理サイクルから分離することができる。 液化酸素は、本発明（図８）による動力源である燃焼用酸素として、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）用タンカーに用いることができる。 これはいわゆる合成天然ガス（ＳＮＧ）技術に部分的に関連がある。 二酸化炭素サイクル中、コンデンサー（７）に続く弁（２６）を通じて、燃焼で生成した二酸化炭素を処理サイクルから除去する。 その後、二酸化炭素をポンプ（１）で臨界超過圧まで加圧する。 次に、二酸化炭素サイクルを分岐させ、加圧した酸素を熱交換器（２）で二酸化炭素サイクルに導入する。 並列する熱交換器（２、３）で加熱した後、二酸化炭素を熱交換器（４）に入れる。 サイクルに導入した酸素を圧縮器（２８）からの天然ガスによって、燃焼室（１０）内で燃焼し、一方、二酸化炭素の残りは燃焼室（１０）の冷却部へ入る。 タービン（６ ）内で二酸化炭素を膨張させた後、タービン（６）の先端部を熱交換器（４）からの二酸化炭素により冷却し、二酸化炭素を熱交換器（４、３）に返送する。 二酸化炭素サイクル内で次に位置するのは、例えば地域暖房のために必要に応じて熱を回収することのできる予冷器（２４）である。 地域暖房の量は空気の分離過程で生じた熱を活用することで更に増加させることができる。 この後、燃焼で生成した水を処理サイクルから除去する。 次に圧縮器（２５）により二酸化炭素を凝縮圧に加圧する。 圧力を凝縮する。 二酸化炭素を圧縮器（２ ５）から熱交換器（２）へ返送する。 サイクルの終わりでは、二酸化炭素をコンデンサー（７）内で凝縮し液化し、一方、燃焼に用いられなかった酸素の残りをコンデンサー（７）から除去し、圧縮器に続く空気の分離過程に導入する。 処理サイクル中で生じた二酸化炭素は、処理サイクル中のいかなる場所においても除去できる。 燃焼に用いられずにコンデンサーで分離した酸素を、圧縮器で加圧するか、化学薬品で処理するか、あるいは液化二酸化炭素に溶解することもできる。 例えば空気の分離過程から得られる廃熱エネルギーを用いて、熱交換器（２）の予熱を行なう構造も可能である。 不燃性の炭化水素や一酸化炭素もコンデンサー（７）で分離することができ、可燃性の物質と混合することでリサイクルできる。 図９に、図８による基本的な処理サイクルの応用例を示す。 この応用例では、 過剰な廃熱エネルギーは図１による処理サイクルによって活用される。 多くの構成成分部品は同一のものであるため、同一の構成成分部品をいろいろに用いることができる。 つまり、動力装置は、構成成分部品を様々に組み合わせて構成することができる。 この処理サイクルは本質的には上記以上の発明の特徴を含んでいない。 空気の分離過程で得られる廃熱エネルギーは熱交換器（２）で活用される。 本発明の一つの態様によれば、熱交換器（４）の後に位置するボイラー（５） では媒体Ｂを加熱しない。 従って、媒体Ｂの最高温度への加熱を、熱交換器（４ ）で媒体Ａの廃熱エネルギーによって自然に行う。 すなわち、熱交換器（４）が実際にはボイラーの役割を果たす。 処理サイクルの他の構成成分部品も、必要に応じて省略することができる。 従って、二酸化炭素サイクルの熱交換器（２、３ 、４）を合併して熱交換器の数を減らすことができる。 タービン（６）内での膨張やポンプ（１）内での加圧も又、幾つかの段階で実施でき、加圧の段階の合い間に冷却することができる。 本発明による動力装置は、媒体Ｂの周囲の圧力より高い圧力を得るのに必要な構成成分部品を、必要に応じて含むこともできる。 図８による動力装置は媒体を自から製造する。 処理サイクル中の二酸化炭素を非常に高い温度で一酸化炭素及び酸素に分解し、タービン（６）に至るまでに閉鎖サイクル内で燃焼する。 従って、処理サイクルの最高温度が上昇するのにつれて、 ブリード率（breeding ratio）も改善される。 媒体Ａ又はＢは、混合することによって所望の熱交換の性質を得られるような、数種の物質からなることもできる。 例えば、媒体Ｂは二酸化炭素及び水からなることができる。 物質のうち１つが圧縮器によって加圧される必要のないような、及び／又は過剰な廃熱ネルギーによって少なくとも部分的に蒸発できるような２つの物質からなる媒体が理想的である。 本発明による処理サイクルは、例えば図２に示す方法を用いて水蒸気タービンのブリード（breeding）の数を増加することによって、従来の複合発電所に連結することができる。 このような発電所では、特に、燃焼で生成された水蒸気の凝集熱が処理サイクルに活用される場合、非常に高い発電効率が得られる。 図８による動力装置では、熱交換器（４）は二酸化炭素サイクルに加えて水蒸気サイクルからなることができる。 実際には、燃焼室の最高温度が熱交換器の最高温度より速く上昇する場合に、上記の動力装置は最も強い競合力を得る。 同様に、例えば燃焼で生成された水蒸気の凝集熱が充分である場合、又は熱を放出する媒体の温度差が熱を受容する媒体の温度差より高い場合には、並列する熱交換器（２、 ３）は必ずしも必要ではない。 本発明は当然、例えば船舶の動力源といった発電以外の目的にも用いることができる。 外部の温度が低いので、本発明は理論上では、大型のプロペラ機の動力源として、将来、有利に用いられるであろう。 冷却器と動力機の連結については、文献に理論が公開されている。 この理論は本発明による発電所にも適用できる。 すなわち、コンデンサー（７）を冷却工程の蒸発器に置き換え、冷却工程で得られる廃熱エネルギーを熱交換器（２）において活用する。 特に、吸着法（アンモニア）は本発明による方法に連結するのに適している。 このようにすると、図８による方法は圧縮器（２５）を必要としなくなるであろう。 将来的には、本発明による動力装置に、いわゆる化学燃焼（chemical combustion） を適用することもできるであろう。 従来の技術を適用して燃焼室やタービンの冷却を行うこともできる。 ここで述べた例は、本発明を証明するためだけの目的で記載されているものであって、詳細が省略されているという理由で、本発明の用途は制限されるものではない。 本発明を理解するのに不要な詳細は、明確さを得るために省略した。 従って、本発明は示された代表的構造によって制限されるものではなく、以下の請求の範囲に含まれる全てのものを包含する。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 エンタルピーの差が、タービンに続く場所における圧力下でのエンタルピーの差より大きくなる。 本発明の方法は更に、閉鎖二酸化炭素サイクル内で酸素によって可燃物を燃焼して生成した二酸化炭素を、経済的に分離することを可能にする。