使用地下煤层构筑燃料和燃气的密封系统的燃气轮机设备 【技术领域】
本发明涉及将生成的二氧化碳和氮一起压入，用氧气使从地下煤层回收的甲烷气体燃烧，以此实现密封化的燃气轮机设备。
背景技术
由于工业活动的显著活跃，人们更担心人为排放的二氧化碳带来全球规模的环境破坏。特别是由使用矿物燃料的发电设备排放地二氧化碳量大，因而寻求抑制向大气中排放二氧化碳的方法。
对抑制二氧化碳在大气中的排放的要求，在各地的研究正在取得进展，新能源产业技术综合开发机构(NEDO)，也将减少发电设备的二氧化碳排放量作为目标，正在研究发电效率高的封闭型燃气轮机发电系统。
在这里，正在研究的燃气轮机发电系统，是对具备甲烷氧气燃烧器的密闭循环式燃气轮机，同轴的复合蒸汽轮机的系统。在甲烷氧气燃烧器中，将高压蒸汽轮机排出的蒸汽一起加热，在高温燃气轮机作为驱动气体使用，然后抽出一部分提供给低压蒸汽轮机。
大部分由甲烷氧气燃烧器产生的二氧化碳气体在燃气轮机中循环，但是伴随引向低压蒸汽轮机的蒸汽的部分在蒸汽轮机的冷凝器分离，通过压缩机形成高压气体，然后以适当的方法贮存固定后加以回收。
利用这样将燃气轮机系统封闭化的方法，容易进行二氧化碳的回收，但是为了将其实现，还需要高技术，现在正在研发中。
又，在该新系统使用的回收二氧化碳的方法还没有掌握，但是作为不将由各火力发电厂等排放的二氧化碳排放到大气中作为温室效应气体地进行回收的有希望的方法，已知有例如液化后存储于海底的方法和压入地下含水层中的方法等。存储于海底的方法容量大，特别为人们所期望，但是考虑到数十年或数百年的长时间跨度时，不得不注意二氧化碳气体有可能再次被释放到大气中。
另一方面，随着能源需求的增加，正在开发各种各样的能源，但是煤层中所含的煤层气受到关注。从煤层在世界的分布上来说，煤炭的埋藏量是庞大的。在煤层中存在以甲烷为主成分的大量的煤层气体。然而，以往为防止在开采煤炭时煤层气体的危险，在开采煤炭前将气体充分抽出后，在开采煤炭时向坑道中输送空气以进行换气，将其排放到大气中，或作为厂内的燃料使用。
煤层气体跟煤的本质无关地以吸附在煤上的状态大量存在，已知有将煤暴露在大气中或将流体压入煤层中使煤层气体释放出来的方法。在这里，考虑以不能采掘的煤层或因不合算不能采掘的煤层等为对象，对甲烷气体进行回收利用。
又，煤层处于地下，能吸附二氧化碳加以固定，因此有可能成为有希望的二氧化碳废弃场所。
【发明内容】
在这里，本发明所要解决的课题是，提供能够将以煤层气体为燃料而产生的二氧化碳几乎全部回收，不使其排放到大气中的燃气轮机系统，特别是燃气轮机发电系统。又，提供一种能够尽量将作为燃料的煤层气体从煤层中大量回收的系统。
为解决上述课题，本发明的燃气轮机设备，其特征在于，将从煤层中回收的煤层气体用从空气中分离出的氧气助燃，以驱动氧气燃烧式燃气轮机，将排出的二氧化碳与分离氧气后的以氮为主要成分的空气一起压入煤层中，将二氧化碳固定在煤层中，同时利用压入气体的作用将煤层甲烷回收到地上，作为燃气轮机的燃料来提供，以此抑制二氧化碳向大气的排放。
又，本发明的燃气轮机设备，其特征在于，具备从空气中提取氧气的氧气制造装置、具备提供用氧气制造装置提取的氧气以使甲烷燃烧的甲烷氧气燃烧器的燃气轮机、从燃气轮机的燃烧气体中分离二氧化碳的排气冷凝器、对由排气冷凝器分离出的二氧化碳和由氧气制造器产生的氮气加压的气体压缩机、向地下煤层送入气体的压送管和从煤层中回收甲烷的回收管。然后，将利用气体压缩机制造的加压气体从压送管压入煤层中，由回收管回收挤压出的甲烷气体，将回收的甲烷气体提供给氧气燃烧器，这样来抑制排放的气体向外部排放。
人们都知道，由于地下的煤层具有吸附能力，一旦将二氧化碳压入，就会被固定在煤层内。另一方面，无论煤的质地如何，煤层中都含有大量的以甲烷为主要成分的煤层气体，将二氧化碳压入煤层中，以使其在煤层中流动，因此可在适当的位置设置回收管将甲烷气体回收到地面上来。
该回收的甲烷作为燃气轮机的燃料使用。
还有，一旦压入包含氧气的气体，甲烷在地下燃烧，这是危险的，且回收气体中可燃成分减少，不能作为燃料使用。从而，将二氧化碳作为压入气体使用时，如果气体量不足，有必要添加非可燃性气体，添加剩下除氧气外的氮气等非可燃性气体的空气，就不必担心燃烧了。
还有，在利用压入二氧化碳的方法回收煤层气体时，可以在长时间地回收，但回收总量不十分大。另一方面，也可以通过压入氮气的方法进行回收，在这种情况下初期会释放出大量的煤层气体，但是很快就不再释放了，所以也不能充分回收。
但是又了解到，最初加大氮气的比例，随着时间的经过，逐渐增加二氧化碳的比例，则相比之下，一开始，能够得到大量的煤层气体，而且随着时间的推移生成量并不大降低，最后的回收总量也可以达到只用二氧化碳的情况下的例如5倍左右。
在这里，由燃气轮机设备所产生的二氧化碳与分离氧气后以氮气比例增大的空气混合后压入地下煤层时，最好是操作初期加大氮气的比例，经过一段时间后，降低氮气的比例，以确保煤层气体的回收量。
本发明的燃气轮机设备，将从地层中的煤层回收的甲烷气体作为燃料，分离空气中的氧气作为助燃剂在燃烧器中使其燃烧，将由燃烧器产生的二氧化碳和从空气中分离的氮气一起压入地下的煤层中并使其固定在煤层内。从而，将所产生的二氧化碳气体大体上全部都固定在地层中，能够不向大气中排放。并且，为回收煤层中的甲烷，利用了抽取氧气后的空气和二氧化碳，因此并不浪费。
本发明的燃气轮机设备，也可以将燃气轮机旋转轴与发电机连接。还可以在所述燃气轮机的燃烧气体排出配管上具备废热回收锅炉，具备蒸汽轮机发电机，将该废热回收锅炉制造的蒸汽提供给该蒸汽轮机发电机进行发电。
这些在燃气轮机或蒸汽轮机上连接发电机的发电设备，能够把燃料燃烧产生的二氧化碳几乎全部固定在地下的煤层中，因此不会像已有的发电厂那样在发电的同时向大气排放二氧化碳，导致环境污染和地球温室化。
本发明的上述目的、附加目的、特征和优点在参照附图对最佳实施形态进行详细说明之后会更加清楚。
【附图说明】
图1为本发明第1实施形态中燃气轮机设备的方框图。
图2说明煤层气体回收量随时间变化的曲线图。
图3表示使用本实施例的工厂的材料平衡例。
【具体实施方式】
以下参照附图对本发明的实施形态进行说明。
图1为表示本发明的燃气轮机设备的实施例的方框图，图2是说明以压入气体作为参数的煤层气体回收量随时间而变化的曲线图，图3表示使用本实施例的工厂的材料平衡图。
图1所示的燃气轮机设备由燃气轮机装置1、蒸汽轮机装置2、氧气制造装置3、以及二氧化碳气体·煤层气体的处理设备构成。
燃气轮机装置1具备压缩机11、甲烷氧气燃烧器12、燃气轮机13和燃气轮机发电机14。压缩机11与燃气轮机13及燃气轮机发电机14同轴连接，利用燃气轮机13的旋转力进行发电分配给用户。
在甲烷氧气燃烧器12中，将氧气和以甲烷为主要成分的煤层气体直接喷雾使其燃烧，将燃烧气体引入燃气轮机13进行驱动。在燃气轮机13的排气中含有大量由煤层气体燃烧所产生的二氧化碳和水。
在燃气轮机13的排气配管上设有排气冷凝器15，排出气体被引入排气冷凝器15，冷凝水被回收，不冷凝的二氧化碳气体和稀释气体返回压缩机11。
这时，在燃气轮机装置1不被循环使用的剩余气体作为回收气体被输送到气体压缩舱4。由于回收气体是从排气中除去水得到的，所以与在燃气轮机中新产生的气体含有相同量的二氧化碳。
又在燃气轮机的排气配管上设置废热回收锅炉21，由回收的排气的热产生蒸汽，利用蒸汽轮机装置2发电提供给用户。
废热回收锅炉21利用排气将由供水泵28供给的水加热后输送到蒸汽轮机发电机22。发电机23附设于蒸汽轮机22上。在蒸汽轮机22中减压后的蒸汽在冷凝器24中变成水，通过冷凝水泵25、供水加热器26、脱气器27后由供水泵28提供应给废热回收锅炉21。水再成为高温蒸汽，驱动蒸汽轮机22，由发电机23发电提供给用户。
本燃气轮机设备上附设氧气制造装置3。
氧气制造装置3是从空气中分离氧气的装置，例如将空气冷却后根据沸点差分离氧气。由氧气制造装置3制造的氧气被输送到甲烷氧气燃烧器12，抽出氧气后的以氮为主要成分的空气成分被输送到气体压缩舱4。
二氧化碳气体·煤层气体处理设备由气体压缩舱4、压送管5和回收管6构成。气体压缩舱4将氧气以外的空气成分和二氧化碳一起加压，向达到地下煤层7的压送管5输送，从压送管5的在煤层7的位置上开设的开口压入煤层7。
在适当离开压送管5的位置上设置达到煤层7的回收管6。回收管6上，在抵住煤层7的位置上设有开口。煤层7中含有以甲烷为主要成分的大量的煤层气体，所以能用回收管6将流入的煤层气体回收到地面上来。又，在煤层气体压力不足的情况下，也可以利用设在地面上的抽气装置的力量将其回收到地面上来。
将含有二氧化碳和氮气的气体压入煤层7时，利用所谓的气体推压作用将煤层气体推压，使其集中到压力比周围低的回收管6的方向上。因此，在适当的位置上设置回收管6，将回收气体压入，能够高效率地将以甲烷为主成分的煤层气体回收到地面上来。
该煤层气体被提供给甲烷氧气燃烧器12作为燃气轮机的燃料使用。
还有，煤层气体的回收率因压入气体的组成而变化。
图2是在不同组成的情况下煤层气体的回收量随时间(横轴)而变化的概念性说明图。
在只使用二氧化碳的情况下，逐渐增加煤层气体的回收量，不久就保持在大致一定的回收量上，并长时期地持续保持在这个状态上。与此不同，在仅使用氮气时，在初期回收量急剧增加，不久回收量又急剧减少。
而且可以了解到，在使用适当混合的氮气和二氧化碳混合气体的时，不仅能回收的煤层气体总量显著增多，而且通过按照时间的经过控制氮气和二氧化碳的成分比例，在初期氮气的比例大，然后逐渐缩小其比例，能够较快达到一定的回收量，而且回收量增大，回收总量与仅用二氧化碳的情况相比大到例如5倍左右。
从而，在本实施例的燃气轮机设备中，最好是也具备压入气体组成调整手段，能够随着时间的经过最合适地改变氮气和二氧化碳气体的成分比。
还有，如果压入含有氧气的气体，使甲烷在地下燃烧是危险的，而且也会使回收气体中的可燃成分减少，不能作为燃料使用。因而，将二氧化碳作为压入气体使用时如果气体量不足，则有必要添加非可燃性气体，像本实施例这样，使用除去氧气后留下氮气等非可燃性气体的空气，就不担心煤层气体在地下燃烧了。
还有，地下的煤层7由于具有吸附能力，所以压入的二氧化碳不返回到地面上而是被固定在煤层内，因此如果使用本实施例的燃气轮机设备，就不向大气中排放二氧化碳。
又，利用氧气使甲烷燃烧的方式，不同于在含有氧气的空气中燃烧的情况，排出气体中不含有NOX(氮的氧化物)，因此对大气污染的程度小，是很理想的。
又，煤层气体未必在优质煤层中大量地产生，在已经结束商业采掘的劣质煤层和泥碳等低品质泥炭层中也能进行回收，因而也可以将本发明的燃气轮机设备作为煤田的再生利用手段来使用。
图3表示本发明使用于公称输出功率为7MW规模的发电厂时的材料平衡例。
作为对象的发电设备具备使用16.69×106千卡/小时(kcal/hr)的天然气作为燃料，用21.5千克/秒(kg/sec)的空气，在大气温度15℃，有5670kW的输出的燃气轮机发电装置和具有2300kW功率的蒸汽轮机发电装置。总输出为7980kW。
在使用甲烷气体占100％的煤层气体时，该装置需要煤层气体为1950m3/小时。为了使该煤层气体完全燃烧，需要供应至少3900m3/小时的氧气。还有，所述燃气轮机发电装置在供给包含该数量的约3倍的氧气的空气的过量供应的状态下运行，而如果使用纯氧，能够提高效率，因此在图3中为探讨实际可行性，使用不考虑燃烧损耗的值。
由燃烧所产生的水为3136千克/小时，用于驱动蒸汽轮机装置的蒸汽的流量根据热平衡计算为11300千克/小时。
为从空气中分离氧气所需要的动力为每1m3氧气0.33kW，因此制造3900m3/小时氧气时要消耗1288kW电力。又估计除此以外设备自身消耗的电力约400kW，以此推算出能向外部供电5490kW。
又，同时制造的氮气为15600m3/小时，所需空气为27870m3/小时。
燃烧产生的二氧化碳为1950m3/小时，假设开工率为80％，一年中就达到7273吨，但是这些二氧化碳能全部固定在煤层中。
又，如果使用氮气和二氧化碳的混合气体，则甲烷的产量就会达到原来的5倍，为了得到1950m3/小时的煤层气体，估计例如在北海道空知支厅的赤平煤矿中设置的3个甲烷回收井增加到6个也能对付了。
本系统能将设备内产生的全部二氧化碳气体与氮气一起压入煤层中固定，因此不将二氧化碳排放到大气层中，利用压入气体从煤层回收的煤层气体被用来发电，其结果是，以此能向外部供应电力5500kW。发电效率为28.2％，其电力供应能力为每年38.4×106kWh。
对于本行业的普通技术人员来说，根据上述说明，可以知道本发明的很多改良及其他的实施形态。从而，上述的说明，应该只解释为例示，是为对本行业的普通技术人员说明实现本发明的最佳形态的示教的例子。在不脱离本发明的精神的情况下，可以对其构造和/或功能进行实质性变更。
产业上应用的可能性
用本发明的燃气轮机设备发电时，将使用燃气轮机所产生的二氧化碳压入地下的煤层中，将煤层气体压出使用，同时将二氧化碳固定在煤层中，因而能防止向大气中排放二氧化碳造成对环境的破坏。
又，能将从地下煤层中回收的甲烷气体作为燃气轮机的燃料来使用，因此可以将燃料的生产和排气的处理构筑为封闭系统。