特表 2024-540540 断熱圧縮を用いるＣＯ２動力サイクル

(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】2024-10-31

(54)【発明の名称】断熱圧縮を用いるＣＯ２動力サイクル

(51)【国際特許分類】

   F01K 25/10 20060101AFI20241024BHJP

【ＦＩ】

F01K25/10 E

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024529593

(86)(22)【出願日】2022-11-17

(85)【翻訳文提出日】2024-07-12

(86)【国際出願番号】 IB2022061111

(87)【国際公開番号】W WO2023089540

(87)【国際公開日】2023-05-25

(31)【優先権主張番号】63/280,790

(32)【優先日】2021-11-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】312000387

【氏名又は名称】８ リバーズ キャピタル，エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 明代

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(74)【代理人】

【識別番号】100191086

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 香元

(72)【発明者】

【氏名】アラム，ロドニー ジョン

【テーマコード（参考）】

3G081

【Ｆターム（参考）】

3G081BA02

3G081BB07

3G081BC30

(57)【要約】

本開示は、発電に有用なシステムおよび方法に関する。特に、ＣＯ_２を作動流体として利用する発電サイクルが第２のサイクルと組み合わされ得、発電サイクルからの圧縮ＣＯ_２流は、加熱、膨張されて、追加動力を生成し追加加熱を発電サイクルに提供することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電サイクルであって、
炭化水素燃料流を酸素流で燃焼して、燃焼生成物を生成することと、
前記燃焼生成物を予熱循環加圧ＣＯ_２流と組み合わせて、混合物を形成することと、
前記混合物を動力タービンに供給して吐出を生成することであって、前記吐出は次いで回収熱交換器内に供給されて前記循環加圧ＣＯ_２流を予熱することと、
を備える、発電サイクルであり、
断熱圧縮システムを用いて、タービン吐出圧力領域からタービン入口圧力領域までの循環ＣＯ_２および酸素を圧縮し、
前記断熱圧縮システムを離れるＣＯ_２および酸素流は、前記回収熱交換器に入り、そこで、それらは、冷却タービン排気流に対して加熱され、
前記回収熱交換器を離れるタービン排気は、外部源から供給される１つ以上の流体流を加熱する第２の熱交換器に入る、発電サイクル。

【請求項2】

前記第２の熱交換器で加熱された流体流が、ボイラー供給水および蒸気ベース動力サイクルから運ばれたプロセス蒸気を備える、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項3】

前記第２の熱交換器で加熱された流体流が、加圧水流を備える、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項4】

前記断熱圧縮システムが、ＣＯ_２圧縮器および酸素とＣＯ_２の混合物を備える酸化剤流体流のための圧縮器を備える、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項5】

ＣＯ_２の分離流が、前記ＣＯ_２断熱圧縮器の排出から得られ、前記動力タービン内に冷却流体として導入される、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項6】

前記第２の熱交換器を離れるタービン排気が、周囲冷却手段によって周囲温度近くに冷却され、正味生産水とＣＯ_２が、前記断熱圧縮器に入る前に除去される、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項7】

前記炭化水素燃料流が、前記第２の熱交換器で予熱され、次いで、前記燃焼器に入る前に前記回収熱交換器で加熱される、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項8】

前記炭化水素流が、タービン入口領域圧力に圧縮されている天然ガスを備える、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項9】

前記断熱圧縮器の入口圧力が、約４バール（０．４ＭＰａ）～約４０バール（４ＭＰａ）の範囲にある、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項10】

タービン入口温度が、約１０００℃～約１６００℃の範囲にある、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項11】

タービン入口圧力が、約２００バール（２０ＭＰａ）～約５００バール（５０ＭＰａ）の範囲にある、請求項１に記載の発電サイクル。

【請求項12】

前記動力タービンの圧力比率が、約１５～約４０の範囲にある、請求項１に記載の発電サイクル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ＣＯ_２循環流体を利用する発電サイクルをその効率の点で改良することができる発電システムおよび方法を提供する。特に、発電サイクルからの圧縮ＣＯ_２流を、独立した熱源で加熱することができ、追加動力を生成しかつ１つ以上の二次プロセスに対する追加加熱を提供するように拡張することができる。

【背景技術】

【0002】

天然ガスおよび石炭などの天然由来の炭化水素および炭素質燃料を用いる発電の主な目的は、高熱効率、低資本コストおよび信頼できる動作特性で燃料中に存在する炭素の酸化由来のＣＯ_２の１００％に近い捕捉を達成することである。有害な地球温暖化を防ぐため大気中への人為的ＣＯ_２排出除去の世界的な要求は、原子力および再生可能な風力および太陽熱利用発電の組み合わせ単独で達成することはできない。ＣＯ_２排出除去のための世界的な目的を達するために、１００％ＣＯ_２捕捉を伴う高効率化石燃料ベースの発電システムを、大規模なＣＯ_２の効果的な地質学的貯蔵と一緒に導入することが必要であり得る。

【0003】

動力タービンにおいて作動流体として循環ＣＯ_２流を用いる動力サイクルが、アラム（Ａｌｌａｍ）らへの米国特許第８，５９６，０７５号に記載されており、その開示内容は本明細書中で参照によって援用されている。当該サイクルは、冷却、リサイクル圧縮、およびＣＯ_２作動流体流を再循環させるための高密度流体ポンピングの組み合わせを有する回収超臨界ブレイトンサイクルである。一実施形態は、約３００バール（３０ＭＰａ）圧力の予熱リサイクルＣＯ_２流を用い、それは、天然ガス燃料と実質的に純粋な酸素の燃焼生産物と混合することによって加熱されて、動力タービンへの約１１５０℃の入口流を生産し、動力タービンは約３０バール（３ＭＰａ）の出口圧力を有する。約７２０℃のタービン出口流は周囲温度近くに冷却され、一方、高圧リサイクルＣＯ_２を回収熱交換器で約７００℃に加熱する。回収熱交換器を離れる冷却されたタービン排気はさらに、周囲温度近くに冷却され、燃料中の水素の酸化由来の凝縮水は除去される。残っているＣＯ_２は、約３００バール（３０ＭＰａ）に圧縮され、燃料ガス中の炭素の酸化由来の正味ＣＯ_２は、約３０バール（３ＭＰａ）～約３００バール（３０ＭＰａ）の圧力で運ばれた実質的に純粋なＣＯ_２生産物として除去される。ＣＯ_２流の残りの部分はリサイクルされる。高熱効率での動作を可能とするサイクルの重要な特徴は、リサイクル高圧ＣＯ_２流に、約４００℃を下回る温度レベルで、追加の熱を供給することである。このことは、サイクルが、約５～約１２の範囲の相対的に低い圧力比で約２００バール（２０ＭＰａ）～約５００バール（５０ＭＰａ）の範囲の高圧での動作に依存するため、必要である。これらの条件下で、高圧のＣＯ_２の低圧のＣＯ_２に対する具体的な熱比率は、温度が、回収熱交換器において周囲近くまで下げられるのにつれて非常に顕著に増大する。約３００バール（３０ＭＰａ）と約３０バール（３ＭＰａ）圧力でのＣＯ_２の場合、具体的な熱比率は、約７００℃で約１．０３２であり、約１００℃で約１．９４５である。

【0004】

上記のＣＯ_２サイクルにおける高熱効率は、回収熱交換器において低いホットエンド温度差を必要とする。このことは、約４００℃を下回る温度レベルでの追加外部供給熱を、高圧リサイクルＣＯ_２流に導入することによって達成することができる。先に開示した方法は、第１に、ＣＯ_２をリサイクルのための最終高圧に冷却およびポンピングする前に、極低温空気分離プラントへのそしてまたＣＯ_２リサイクル圧縮器における断熱圧縮段への空気供給として用いられる空気の断熱圧縮由来の熱を用いることを含む。第２に、いくらかの予熱後、断熱圧縮により高圧リサイクルＣＯ_２流の一部に直接熱を供給することができる。

【発明の概要】

【0005】

１つ以上の実施形態で、本開示は、動力サイクルのＣＯ_２リサイクル流に約４００℃を下回る温度レベルで外部供給熱を導入して、簡単かつコスト効率良く高熱効率を与える方法を提供する。本開示はさらに、１００％近いＣＯ_２捕捉を伴う動力サイクルを提供し、地域暖房システムを供給するための燃料ガスからの熱のかなりの部分に、循環する、加熱され、かつ加圧された水または低圧蒸気を提供して、ＣＯ_２排出がゼロに近い大規模な家庭用、商業用、かつ工業用の使用のための天然ガスまたは灯油の使用を置き換える。

【0006】

上記のＣＯ_２動力サイクルは、全入熱のかなりの部分が約４００℃の温度レベルを下回って提供されることを必要とする。提供される熱の量は、サイクルへの全入熱の約３０％までであり得る。低温入熱を提供することにより、回収熱交換器に対するホットエンド温度差が減少し、燃焼器に入るリサイクルＣＯ_２流の温度を上昇させ、ひいては、予熱リサイクル高圧ＣＯ_２とオキシ燃料燃焼生成物の混合物の必要とされるタービン入口温度に達するためのオキシ燃料燃焼器で燃焼されなければならない炭化水素燃料の量が減る。

【0007】

本開示は、高熱効率で、高額な高圧熱交換器および複雑な高圧パイピングシステムを用いての熱の外部源からの供給を必要とせず、必要とされる低温入熱を提供する。このことは、循環ＣＯ_２流全体を圧縮加熱、その後の周囲温度近くまでの冷却、および液体水分離の機能を組み合わせることによって達成することができる。リサイクルＣＯ_２流は、低圧タービン排気システム圧力から高圧タービン入口システム圧力に、断熱圧縮器を用いて圧縮される。断熱圧縮器から離れる高圧ＣＯ_２リサイクル流は、リサイクル熱交換器における高圧ＣＯ_２流と低圧ＣＯ_２流の具体的な熱比率が大幅に減少するくらいに高温にある。例として、約３００バール（３０ＭＰａ）と約１１バール（１．１ＭＰａ）でのＣＯ_２の具体的な熱の比率は、それぞれ、５０℃で約２．１３であり、３５０℃で約１．１７である。

【0008】

これらの条件は、断熱ＣＯ_２リサイクル圧縮器に対する実際の動作入口および出口条件に近い。断熱ＣＯ_２リサイクル圧縮器は、高圧上昇入口温度を回収熱交換器に提供する。入口温度は、タービン入口領域の必要とされる圧力および断熱圧縮器の圧力比率に依存する。回収熱交換器を離れるタービン出口流は、第２の熱交換器で冷却され、利用可能な冷却手段は、外部源に伝達される熱を制御する。圧縮器入口温度は、断熱圧縮器の上流にある直接水冷却熱交換システムなどの周囲冷却手段によって制御される。先のＣＯ_２動力サイクルで用いられた、回収熱交換器のコールドエンド温度における具体的な熱の比率は、１００℃を下回る温度で著しく低い。この差異により、回収熱交換器に対する低いホットエンド温度差が、高圧リサイクルＣＯ_２流の追加の低温加熱なしで、動力サイクルに対する高熱効率を与えるように容易に達成されることが可能となる。回収熱交換器を離れるタービン排気流は、温度が上昇している。サイクルに対して高い全体効率を達成するために、この熱を効率的に利用しなければならない。少なくとも２つの可能な方法が利用可能であり、本明細書中に記載されるが、開示された方法は、例示的な実施形態であり、以下の論議にやはり組み込まれる開示のさらなる実施形態にまで拡張され得ることが理解される。

【0009】

第１の例示的な実施形態は、回収熱交換器を離れるタービン排気流からの第２の熱交換器の熱を、この熱を利用することができる外部システムに伝達するものである。最良のシステムのうちの一つは、家庭用、商業用、かつ工業用暖房サービスに用いられる循環加圧水加熱システムのための熱源を提供することである。循環加圧水および／または蒸気を用いた地域暖房システムが、北緯の多くの国で一般に用いられる。この熱を提供することは、多くの場合、天然ガスまたは石油燃料を用いる現在の暖房システムを置き換え、このことは、現在大気に排出されている大量のＣＯ_２を削減する。典型的な水循環システムは、約１４０℃の温度で温水／蒸気を提供し得、戻り温度は約５０℃である。

【0010】

第２の実施形態は、回収熱交換器を離れるタービン排気からの第２の熱交換器における熱を、凝縮蒸気タービンで動力を生成する過熱高圧蒸気を生成する蒸気ベース動力システムに伝達することである。任意選択的に、回収熱交換器を離れるタービン排気の温度レベルに依って、蒸気サイクルの出力および効率を最大化するため膨張に先立ち再加熱されている追加のより低い圧力の蒸気を用いる再加熱蒸気サイクルが存在し得る。これら２つのシステム間の選択は、経済的要因に影響される。回収熱交換器は、好ましくは、約１００バール（１０ＭＰａ）～約７００バール（７０ＭＰａ）、約１５０バール（１５ＭＰａ）～約６００バール（６０ＭＰａ）、または約２００バール（２０ＭＰａ）～約５００バール（５０ＭＰａ）の圧力で、高圧リサイクルＣＯ_２を用いて動作するだろう。タービン入口温度は、好ましくは、６００℃～約１８００℃、約８００℃～約１７００℃、または約１０００℃～約１６００℃の範囲にあり、入口温度が高くなると、与えられるサイクル効率はより高くなる。現在の技術は、高度な合金、冷却羽根、および保護コーティングを用いて、これらのより高いタービン入口温度での動作を達成するように開発され商業化されてきた。

【0011】

閉サイクルＣＯ_２動力システムの動作の限界は、ホットエンド条件における回収熱交換器の動作パラメータである。回収熱交換器製造における現在の許容される合金は、ホットエンド温度を、約５００バール（５０ＭＰａ）～約２００バール（２０ＭＰａ）のリサイクルＣＯ_２動作圧力に対して、約６００℃～約８００℃の範囲に制限する。より新しい合金は、将来的に、より高い動作温度を可能とし得る。所与の入口圧力に対するタービン入口温度を上昇させることは、温度限界を満たすより高い圧力比、かくして、温度が上昇するにつれてより低い出口圧力を必要とする。

【0012】

例として、約３００バール（３０ＭＰａ）および約１１５０℃のタービン入口条件ならびに約７２０℃のタービン出口限界において、かつ、約２０℃の回収ホットエンド温度差では、必要とされるタービン出口圧力は、約３０バール（３ＭＰａ）である。タービン入口条件が約３００バール（３０ＭＰａ）および約１３００℃である場合、約７２０℃タービン出口および約２０℃ホットエンド温度差で回収熱交換器ホットエンド条件を維持するのに必要とされるタービンの出口圧力は、約１２バール（１．２ＭＰａ）である。この差の結論は、断熱リサイクルＣＯ_２圧力器は、約１１５０℃のタービン入口温度における約１０．５と比べて、約１３００℃のタービン入口温度において約２９という増加した圧力比を有することである。これは、断熱圧縮器出口温度を上昇させ、したがって、回収熱交換器のコールドエンドを離れるタービン排気の温度を上昇させる。１３００℃のタービンの場合、断熱圧縮器の吐出温度は、約３５８℃である。１１５０℃のタービンの場合、断熱圧縮器の出口温度は、約２４０℃である。回収熱交換器に対する約１０℃のコールドエンド温度差を可能とすると、約３６８℃および約１１バール（１．１ＭＰａ）のＣＯ_２出口流を用いて、第２の熱交換器における熱を提供して、約３６０℃に過熱された約７０バール（７ＭＰａ）の蒸気を生成することができる。この蒸気を、約３６０℃に加熱された約２０バール（２ＭＰａ）の再加熱段を有する蒸気サイクルで用いることができる。このサイクルの熱効率は、約３６％となろう。

【0013】

魅力的な代替案は、連続する２つの段で動作し得る蒸気タービンを有することである。第１の段は、クラッチを介して、第２の段と結合され、必要であれば第２の段は、第１の段から結合解除することができる。２つの段は、温水を生産することなく最大出力が必要とされたとき、一体となって動作する。第２の段が結合解除されシャットダウンされた状態で最大温水生産が必要とされたとき、第１の段が単独で必要とされる。第１の段を離れる蒸気は、約２バール（０．２ＭＰａ）～約１０バール（１ＭＰａ）、約３バール（０．３ＭＰａ）～約８バール（０．８ＭＰａ）、または約４バール（０．４ＭＰａ）～約６バール（０．６ＭＰａ）の圧力にあり、例えば、一部の実施形態では約５バール（０．５ＭＰａ）にあり、その蒸気が凝縮して、循環水流を、約３０℃～約７０℃のまたは約４０℃～約１６℃（例えば約５０℃）の低温から、約１２０℃～約１６０℃または約１３０℃～約１５０℃（例えば約１４０℃）の高温に加熱することを可能とする。１１５０℃のタービンは、追加発電のための蒸気サイクルの追加を経済的とするのに十分に高い蒸気温度および圧力を生成しないだろう。１１５０℃のタービンの場合に対する理想的な解決策は、循環加圧水の地域暖房システムを加熱し、天然ガスまたは灯油を用いる現在のシステムを置き換えるために回収熱交換器を離れるタービン排気における利用可能な熱全てを用いることである。このバージョンの典型的なＣＯ_２動力サイクルは、約１２５０℃～約１６００℃の範囲のより高いタービン入口温度を支持することが明らかである。非常に大量の利用可能な熱の経済的利用に関する決定は、経済状況および利用可能なタービン入口温度に依存するだろう。一般に、断熱ＣＯ_２圧縮器入口圧力は、タービン入口条件に依って、約４バール（０．４ＭＰａ）～約３０バール（３ＭＰａ）の範囲にあるだろう。一部の状況では、第２の熱交換器を離れるタービン排気は、約３０℃～約７０℃または約４０℃～約６０℃の温度範囲にあり得る。この熱を用いて、断熱リサイクルＣＯ_２圧縮器への入口流を予熱して、より高い吐出温度を達成することができる。断熱リサイクルＣＯ_２圧縮器への入口流のこの予熱は、断熱ＣＯ_２リサイクル圧縮器の動力を増大させるだろうが、一部の状況では、回収熱交換器のコールドエンドを離れるタービン排気の温度を有益に増加させて、発電の増加を可能とし、または、産業顧客のための高圧過熱蒸気の生成を可能とするだろう。

【0014】

このように、前述の一般用語で本開示を記述してきたが、ここで、必ずしも縮尺通りに描画されていない添付図面に対して参照がなされることになる。。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本開示による発電の例示的なシステムおよび方法の流れ線図である。

【発明の詳細な説明】

【0016】

本主題は、ここで、その例示的な実施形態を参照して、下文でより十分に記載されることになる。これらの例示的な実施形態は、この開示が全体的かつ完全となり主題の範囲を当業者に完全に伝達するように記載される。実際、主題は、多くの様々な形で具現化することができ、本明細書中で記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、この開示が、適用可能な法的要件を満たすように提供される。明細書でかつ添付の特許請求の範囲で用いられる単数形「一」、「一つ」、「その」は、別途明確に文脈で指示されない限り、複数の指示対象を含む。

【0017】

様々な実施形態で、本開示は、追加の加熱を１つ以上の二次プロセスに対して提供する発電サイクルを記載する。例えば、一実施形態では、炭素質または炭化水素燃料流を、酸化剤流と燃焼して燃焼生成物を生成することと、燃焼生成物を、予熱循環加圧ＣＯ_２流と組み合わせて混合物を形成することと、混合物を動力タービンに供給して吐出を生成することとを備え、吐出は次いで、回収熱交換器に供給されて、循環加圧ＣＯ_２流を予熱するものであり、断熱圧縮システムを用いて、タービン吐出圧力領域からタービン入口圧力領域までの循環ＣＯ_２と酸化剤を圧縮し、断熱圧縮システムを離れるＣＯ_２および酸素流は、回収熱交換器に入り、そこで、それらは冷却タービン排気流に対して加熱され、回収熱交換器を離れるタービン排気は、外部源から供給される１つ以上の流体流を加熱する第２の熱交換器に入る、発電サイクルが記載される。

【0018】

燃焼器で循環されるＣＯ_２流は、約１００バール（１０ＭＰａ）～約６００バール（６０ＭＰａ）または２００バール（２０ＭＰａ）～約４００バール（４０ＭＰａ）の圧力および約４００℃～約８００℃または約５００℃～約７００℃の温度を有し得る。燃料は、炭素質燃料または炭化水素燃料であり得るが、水素などの他の燃料も用いられ得る。酸化剤は、約１５％～約６０％または約２０％～約４０％モルの酸素を備え得、残りの部分は、実質的に純粋なＣＯ_２などの希釈剤で形成されている。燃焼器に入る燃料と酸化剤は、好ましくは、約４００℃～約８００℃または約５５０℃～約７００℃の温度に予熱される。燃焼器を離れる燃焼生成物は、ＣＯ_２リサイクル入口圧力に実質的に近い圧力かつ約９００℃～約１６００℃または約１１００℃～約１５００℃の温度にあり、約０．１％～約４．０％モルの小量の残留酸素とともに、主にはＣＯ_２およびＨ_２Ｏを備える。タービンは、約８バール（０．８ＭＰａ）～約３０バール（３ＭＰａ）または約１０バール（１ＭＰａ）～約２０バール（２ＭＰａ）での膨張流を提供するように動作される。膨張流は、回収熱交換器で、約２００℃～約６００℃または約３００℃～約５００℃の温度まで冷却され、放出された熱は、循環高圧ＣＯ_２入口流に伝えられる。熱はまた、燃料ガス入口流および酸化剤入口流に提供される。

【0019】

タービン排気流２３は、熱回収熱交換器を通過させられ、そこで、約４０℃～約８０℃の温度、例えば、一部の実施形態では約６０℃まで冷却され、熱を、燃料ガス入口流および二次流に提供する。二次流は、例えば、約２５℃～約８０℃または約３０℃～約６０℃の温度ならびに約４０バール（４ＭＰａ）～約１００バール（１０ＭＰａ）または約６０バール（６ＭＰａ）～約８０バール（８ＭＰａ）の圧力でのボイラー供給水流であり得、それは加熱されて、約３６０℃などの、約２００℃～約５００℃または約３００℃～約４５０℃での過熱蒸気流を生成する。燃料ガス流は、約１５０バール（１５ＭＰａ）～約５００バール（５０ＭＰａ）または約２５０バール（２５ＭＰａ）～約４００バール（４０ＭＰａ）の圧力に断熱的に圧縮される。タービン排気は、約８バール（０．８ＭＰａ）～約２０バール（２ＭＰａ）または約９バール（０．９ＭＰａ）～約１５バール（１．５ＭＰａ）の圧力で回収熱交換器を離れ、直接接触水冷却器に入る。水直接接触冷却器の上部を離れる、冷却されたタービン排気流は、２つの流に分割され得る。第１の流は、断熱圧縮器に入り得、そこで、約１００バール（１０ＭＰａ）～約６００バール（６０ＭＰａ）または２００バール（２０ＭＰａ）～約４００バール（４０ＭＰａ）の圧力に圧縮され、約２５０℃～約５００℃または約３００℃～約４５０℃の温度で離れる。約１０．５バール（１．０５ＭＰａ）などの、約８バール（０．８ＭＰａ）～約１５バール（１．５ＭＰａ）および約２１℃などの約１５℃～約３５℃の温度での第２の流は、炭素燃料ガスの燃焼由来のＣＯ_２を備える。この流の一部は、隔離または他の用途のためシステムから除去され得、残りの部分は、燃焼器用の酸化剤のために酸素と混合され得る。酸化剤流は、断熱圧縮器に入り、そこで、約１５０バール（１５ＭＰａ）～約５００バール（５０ＭＰａ）または約２５０バール（２５ＭＰａ）～約４００バール（４０ＭＰａ）の圧力に圧縮される。

【0020】

一部の実施形態では、第２の熱交換器で加熱される流体流は、ボイラー供給水および蒸気ベース動力サイクルから運ばれたプロセス蒸気を備える。一部の実施形態では、第２の熱交換器で加熱された流体流は、加圧水流を備える。一部の実施形態では、断熱圧縮システムは、ＣＯ_２圧縮器、および酸素とＣＯ_２の混合物を備える酸化剤流体流に対する圧縮器を備える。一部の実施形態では、ＣＯ_２の分離流は、ＣＯ_２断熱圧縮器の吐出から得られ、冷却流体として動力タービン内に導入される。

【0021】

一部の実施形態では、第２の熱交換器を離れるタービン排気は、周囲冷却手段により周囲温度近くに冷却され、正味生産水およびＣＯ_２は、断熱圧縮器に入る前に除去される。一部の実施形態では、炭素質または炭化水素燃料流は、第２の熱交換器で予熱され、次いで、燃焼器に入る前に、回収熱交換器で加熱される。一部の実施形態では、炭素質または炭化水素流は、天然ガス、合成ガス、および／または、タービン入口領域圧力に圧縮されている一酸化炭素を備える。一部の実施形態では、断熱圧縮器の入口圧力は、約２バール（０．２ＭＰａ）～約６０バール（６ＭＰａ）または約４バール（０．４ＭＰａ）～約４０バール（４ＭＰａ）の範囲にある。一部の実施形態では、タービン入口温度は、約５００℃～約１８００℃、約７００℃～約１７００℃、または約１０００℃～約１６００℃の範囲にある。一部の実施形態では、タービン入口圧力は、約８０バール（８ＭＰａ）～約８００バール（８０ＭＰａ）、約１５０バール（１５ＭＰａ）～約６００バール（６０ＭＰａ）、または約２００バール（２０ＭＰａ）～約５００バール（５０ＭＰａ）の範囲にある。一部の実施形態では、動力タービンの圧力比は、約１０～約６０、約１２～約５０、または約１５～約４０の範囲にある。

【0022】

実施例
本開示の実施形態はさらに以下の例によって例示され、それは、現在開示されている主題を例示するように記載されるものであり、限定的と解釈されるものではない。以下では、図１に示すように、断熱圧縮を伴う発電システムおよび方法の例示的な実施形態が記載される。

【0023】

図１に示される、リサイクルＣＯ_２流全体の断熱圧縮を用いる、提案されたＣＯ_２動力サイクルの特徴は、燃料ガスとしてメタンを用いる例で記載されるが、合成ガスおよび／または一酸化炭素などの他の燃料源が可能である。一部の実施形態では、燃料は、補完され得、または、信頼できる水素源が利用可能となる場合水素で置換もし得る。約３０５バール（３０．５ＭＰａ）および約６６０℃のＣＯ_２流２１が、オキシ燃料燃焼器３の混合部分に入り、そこで、約６６０℃に加熱されている、約３０５バール（３０．５ＭＰａ）の約７５％モルＣＯ_２と混合された約２５％モル酸素を備える酸化剤流２０中で燃焼している約３０５バール（３０．５Ｍｐａ）および約５５０℃のメタン流１８からの燃焼生成物と混合する。Ｏ_２をＣＯ_２と混合すると、燃焼器の断熱火炎温度が、燃焼酸化剤として空気を用いて示されるレベルと匹敵可能なレベルまで低減する。約３００バール（３０ＭＰａ）および約１３００℃の流１９は、オキシ燃料燃焼器／混合器３からの、流２１と燃焼生成物、ＣＯ_２とＨ_２Ｏの混合物である。流１９は、燃焼器３における炭化水素の完全燃焼を促進するように、約０．５％～約２．０％酸素含量を有する。流１９は、発電器４７を駆動している動力タービン２に入り、そこで、約３００バール（３０ＭＰａ）から約１１．２バール（１．１２ＭＰａ）圧力に膨張し、約６７０℃の温度で流２２としてタービンを離れる。流２２は、回収熱交換器４のホットエンドに入り、そこで、約３７９．４℃まで冷却され、流２３として離れる。タービン吐出流が冷却されるにつれて放出された熱が、循環高圧ＣＯ_２入口流２４に伝えられ、流２１として離れ、酸化剤入口流２５が流２０として離れ、ＣＨ_４燃料ガス入口流４４が、流１８として離れる。流２４、２５、および４４の３つ全ては、約３５７．８℃で回収熱交換器４に入る。回収熱交換器４は、Ｍｅｇｇｉｔｔ Ｌｔｄ．のＨｅａｔｒｉｃ部製造のもののようなマルチチャネル拡散接合型コンパクト熱交換器であり得る。これらのユニットは、熱交換器における温度と圧力の組み合わせに依って、Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｍｅｔａｌｓ ｇｒａｄｅ ６１７合金のようなステンレス鋼と高ニッケル合金のグレードを用いる。

【0024】

タービン排気流２３は、熱回収熱交換器５を通過させられ、そこで、約６０℃に冷却され、流２８として離れる。熱交換器５における冷却タービン排気流から放出された熱が用いられ、約３０５バール（３０．５ＭＰａ）および約２２１℃のＣＨ_４燃料ガス流４３ならびに約３７０℃の温度で流２７として離れる外部供給流２６を加熱する。ＣＨ_４燃料ガス流１７は、約１５℃および約４０バール（４ＭＰａ）圧力でパイプラインから発電所に入る。それは、中間点で熱交換器５に入る前に、モータ９によって駆動される圧縮器１において約３０５バール（３０．５ＭＰａ）に断熱的に圧縮される。一実施形態では、流２６は、約４０℃および典型的には約７０バール（７ＭＰａ）のボイラー供給水流であり得、それは加熱されて、約３６０℃の過熱蒸気流を生成する。任意選択的に、約３６０℃に加熱されたさらなる再加熱蒸気流が在り得（図１に図示せず）、それは、蒸気動力サイクルの出力および効率を増大させるように機能する。この温度レベルで蒸気動力サイクルに伝えられた熱は、約３６％の熱効率で動力に変換され得る。

【0025】

または、熱交換器５における冷却タービン排気流から利用可能な余剰熱は、生活住居、病院、商業ビルを温めるのにかつ産業加熱用途に用いられる循環加圧水システムに伝えることができ、天然ガスおよび現在用いられている灯油を置き換え、ＣＯ_２排出を回避する。典型的なシステムは、循環加圧水流を約５０℃から約１４０℃に加熱し得る。タービン排気は、熱交換器５を約１０．７バール（１．０７ＭＰａ）および約６０℃で離れ、直接接触水冷却器１３に入り、そこで、パック柱状部分１４において下降流冷却水流３４と接触する。タワーの基部を離れる温水流３０は、２つの流に分割される。ＣＨ_４燃料からの水素の燃焼に由来する生成水流３２は、システムから除去される。水流３１の残りの容量は、循環ポンプ１６でポンプされ、吐出流３３は次いで、熱交換器１５で、約１９℃での冷却水流３５に対して、流３４としてパック部分１４の上部に入る前に、約２８℃での流３６に冷却される。約２１℃で水直接接触冷却器１３の上部を離れる冷却タービン排出流２９は、２つの流に分割される。流３７は、断熱圧縮器１１に入り、そこで、約３０５バール（３０．５ＭＰａ）に圧縮され、約３５７．８℃で流４６として離れる。流４６は、流４５に分割され、それは、タービン刃および内部ケーシングに対する内部冷却流として動力タービン２および回収熱交換器４に入る流２４に入る。断熱圧縮器１１は、任意選択的に、タービン発電器４７に直接結合され得る。約１０．５バール（１．０５ＭＰａ）および約２１℃の流３８は、２つの流に分割される。流４２は、ＣＨ_４燃料ガスの炭素の燃焼に由来する正味ＣＯ_２生産物である。全ＣＨ_４供給流１７における炭素の実質的に１００％は、流４２で捕捉される。生産ＣＯ_２流４２は、隔離のためＣＯ_２パイプラインに運ぶための約１００バール（１０ＭＰａ）～約２００バール（２０ＭＰａ）の範囲の便利な圧力に圧縮され得、または、液化され、約６バール（０．６ＭＰａ）～約７バール（０．７ＭＰａ）圧力での飽和液体として運ばれ得る。残りのＣＯ_２流４８は、極低温空気分離プラント６からの約１０．５バール（１．０５ＭＰａ）圧力および約２０℃の９９．５％モルの純Ｏ_２流３９と混合されて、モル組成約２５％Ｏ_２プラス約７５％ＣＯ_２を有する酸化剤流４０を生成する。流４０は、モータ１２によって駆動される断熱圧縮器１０に入り、そこで、約３０５バール（３０．５ＭＰａ）に圧縮され、流２５として離れる。極低温ポンプ酸素空気分離プラント６は、モータ８によって駆動される中間冷却圧縮器７において約５．７バール（０．５７ＭＰａ）圧力に圧縮された空気供給流４１を有する。圧縮空気流４９は、空気分離領域６に入り、それは、例えば、空気冷却器、二重床吸着空気清浄機、ブースター空気圧縮器、極低温空気分離ユニット、液体酸素ポンプ、極低温冷凍タービン、ならびに液体酸素貯蔵およびバックアップシステムなどの、空気から酸素を分離するのに必要な構成要素のいずれかを備える。

【0026】

例示的な実施形態の性能概要は、以下の表１～３に示される（全ての計算は、燃料ガスとして純メタン（ＣＨ_４）を用いることに基づく）。

【表1】

【表2】

【表3】

【0027】

本明細書中で用いられる「約」または「実質的に」という用語は、特定の挙げられた値または条件が、明確に挙げられた値または条件そしてそれに相対的に近い値または相対的にそれに近いと認識されている条件をも含むとして閲読されることが意図されることを示し得る。例えば、本明細書中で別途記載されない限り、「約」特定の数字の値または「実質的に」特定の値は、具体的な数字または値に加えて、それから（＋または－）で５％以下、または４％以下、または３％以下、または２％以下、または１％以下から変動する数値または値を示し得る。同様に、本明細書中で別途記載されない限り、実質的に存在する条件は、条件が、記載または請求される通りに完全に満たされるかまたは典型的な製造公差内にあるかまたは必要とされる条件を完全に満たさない場合でも通り一遍の観察で必要とされる条件を満たすように見えることを示し得る。一部の実施形態では、値または条件は、明確なものとして定義され得、かくして、用語「約」または「実質的に」（このように指摘された変動）は明確な値から除外され得る。

【0028】

現在開示されている主題の多くの変形および他の実施形態は、前述の記載および関連する図面に提示される教示の利益を有するこの主題が関連する当業者が想到するだろう。したがって、本開示は本明細書中に記載される具体的な実施形態に限定されるものではないこと、ならびに変形および他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解されよう。具体的な用語が本明細書中で用いられるが、それらは、一般的かつ記述的な意味のみで用いられ、限定的な目的ではない。

【図1】

【国際調査報告】